SVEUĈILIŠTE U RIJECI POMORSKI FAKULTET U RIJECI
MARKO ŠTRLEK
BEŽIČNE OPTIČKE MREŽE - RAZVOJ I TEHNIČKA DOSTIGNUĆA U IMPLEMENTACIJI MOBILNIH KOMUNIKACIJA PUTEM VIDLJIVOG SVIJETLA DIPLOMSKI RAD
RIJEKA 2013
SVEUĈILIŠTE U RIJECI POMORSKI FAKULTET U RIJECI
BEŽIČNE OPTIČKE MREŽE - RAZVOJ I TEHNIČKA DOSTIGNUĆA U IMPLEMENTACIJI MOBILNIH KOMUNIKACIJA PUTEM VIDLJIVOG SVIJETLA DIPLOMSKI RAD
Kolegij:
Optoelektroniĉki Sustavi
Mentor:
dr. sc. Irena Jurdana
Student:
Marko Štrlek
Matiĉni broj:
0112029257
Smjer:
Elektroniĉke i informatiĉke tehnologije u pomorstvu
Rijeka, Rujan 2013
SVEUĈILIŠTE U RIJECI POMORSKI FAKULTET U RIJECI
BEŽIČNE OPTIČKE MREŽE - RAZVOJ I TEHNIČKA DOSTIGNUĆA U IMPLEMENTACIJI MOBILNIH KOMUNIKACIJA PUTEM VIDLJIVOG SVIJETLA DIPLOMSKI RAD
Kolegij:
Optoelektroniĉki Sustavi
Mentor:
dr. sc. Irena Jurdana
Student:
Marko Štrlek
Matiĉni broj:
0112029257
Smjer:
Elektroniĉke i informatiĉke tehnologije u pomorstvu
Rijeka, Rujan 2013
Sadržaj 1.
Uvod ............................................................. ................................................................................................................................... .............................................................................................. ........................1
2.
Komunikacijski Komunikacijski sustavi četvrte generacije (4G) ............................................................... .......................................................................................... ...........................3
3.
Komunikacija vidljivim svijetlom ................................................................................................... .............................................................................................................. ........... 10
4.
5.
6.
3.1.
FSO – FSO – Free Space Optics................................................................... .................................................................................................................. ...............................................10
3.2.
OW – OW – Optical Wireless .................................................................................................................... ....................................................................................................................16
Odašiljačke tehnologije .................................................................. ............................................................................................................................ ..........................................................20 20 4.1.
Metode prijenosa signala putem vidljivog svijetla .............................................................. ......................................................................... ........... 21
4.2.
Modulacija signala ............................................................... .......................................................................................................................... ...........................................................30
4.2.1.
OOK ................................................................... ........................................................................................................................................ .....................................................................32
4.2.2.
ASK.................................................................................................................... ASK.............................................. ............................................................................................ ...................... 33
4.2.3.
BPSK........................................................................................................................................ ............................................................................................................................. ........... 34
4.2.4.
DPSK .................................................................. ....................................................................................................................................... .....................................................................34 34
4.2.5.
QPSK .................................................................. ....................................................................................................................................... .....................................................................35
4.2.6.
DQPSK.......................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ........... 36
4.2.7.
ODB ................................................................... ........................................................................................................................................ .....................................................................39
4.2.8.
PPM ................................................................... ........................................................................................................................................ .....................................................................39
4.3.
Multipleksiranje komunikacijskih kanala ........................................................................................ ........................................................................................ 40
4.4.
Kodovi i protokoli ...................................................................................................... ............................................................................................................................ ...................... 47
4.5.
LED – LED – Light Emitting Diode ............................................................... .............................................................................................................. ...............................................54
4.6.
Laser LED ......................................................................................................................................... ......................................................................................................................................... 59
4.7.
Nekoherentni i parcijalno koherentni izvori zračenja zračenja . ....................................................................64
Prijemne Tehnologije ......................................................... ............................................................................................................................... ......................................................................68 5.1.
PIN fotodioda .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 75 75
5.2.
Lavinska fotodioda – fotodioda – APD ................................................................... ............................................................................................................... ............................................81
5.3.
Kvadrantna fotodioda ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 85
Optička veza i medij prijenosa................................................................... prijenosa.................................................................................................................. ...............................................90
7.
6.1.
Zemaljska FSO veza .........................................................................................................................90
6.2.
Satelitska FSO veza ........................................................................................................................100
6.3.
OW veza ........................................................................................................................................ 105
Primjena digitalnih optičkih komunikacija vidljivim svjetlom ................................................................110 7.1. Primjena satelitskih FSO komunikacijskih sustava ..............................................................................111 7.1.1. Među kontinentalna komunikacija .................................................................................................. 112 7.1.2. DS komunikacija ...............................................................................................................................113 7.2. Primjena zemaljskih FSO komunikacijskih sustava..............................................................................113 7.3. Primjena OW komunikacijskih sustava ............................................................................................... 116 7.4. Prednosti i nedostaci korištenja komunikacija putem vidljivog svjetla ..............................................117
8.
Zaključak .................................................................................................................................................119
Literatura ........................................................................................................................................................121 Popis kratica ................................................................................................................................................... 128 Popis slika ....................................................................................................................................................... 134 Popis tablica ................................................................................................................................................... 136
1. Uvod
Komunikacijske tehnologije i njihov razvoj jedan su od najvaţnijih ĉimbenika u razvoju globalne informacijske infrastrukture. Koliĉi na podataka i brzina prijenosa istih tih podataka neupitno utjeĉe na moderan razvoj globalne zajednice. Povećanje propusnosti komunikacijskih kanala u proteklih dvadesetak godina raslo je proporcionalno razvoju procesnih tehnologija. Tehnologije komunikaci ja putem svjetlovoda i beţiĉnog prijenosa informacija omogućile su razvoj infrastrukture globalne povezivosti korisnika na svim kontinentima. Uz to, nove su tehnologije
olakšale i unaprijedile osobnu komunikaciju izmeĊu pojedinih korisnika putem mobilnih ureĊaja (mobitel, tablet PC).
Kako povećanje komunikacijskih mogućnosti pruţa pristup bogatijem sadrţaju, tako potraţnja za više sadrţaja i boljom kvalitetom prijenosa tjera na daljnji razvoj i poboljšanje komunikacijskih tehnologija. Da bi se udovoljili moderni zahtjevi korisnika uvedeni su skupovi komunikacijskih standarda i tehnologija te uvjeta komunikacijske propusnosti sakupljeni pod
generacijskom oznakom. 3G predstavlja trenutno korištenu generaciju komunikacijskih tehnologija. Minimalna propusnost 3G komunikacijskih sustava je 200 kbit/s. 3G komunikacije koriste se u
mobilnim telefonskim sustavima, beţiĉnim mreţama te internet prijenosu televizijskog programa i ostalih multimedijskih sadrţaja. Kao što je to naglašeno, povećana potraţnja multimedijskog sadrţaja na osobnim raĉunalnim sustavima poput mobitela, tableta ili laptop raĉunala traţi povećanje propusnosti komunikacijskog kanala. Ta povećana potraţnja potiĉe na razvoj nove generacije komunikacijskih tehnologija i standarda brzine prijenosa. 4G komunikacijske tehnologije igrati će ve liku ulogu u pruţanju još veće kvalitete umreţavanja i povezivanja korisnika. Kako bi se postigle traţene brzine prijenosa zahtijevane u 4G komunikacijama, izvjesno je da će biti potrebno poboljšati samu komunikacijsku infrastrukturu. Da bi se postiglo poboljšanje na trenutno stanje komunikacijskih tehnologija, u razmatranju su nove tehnologije poput beţiĉnog prijenosa podataka putem vidljivog svijetla, što je i tema ovog rada, ali i hibridne tehnologije koje spajaju već postojeće sustave sa novim i uĉinkovitijim tehnologijama, pri ĉemu je cilj razvoj
1
sinergijske cjeline koja koristi najbolja svojstva raspoloţivih tehnologija istovremeno uklanjajući njihove mane. U ovom se radu obraĊuju tehnologije beţiĉnih širokopojasnih komunikacija putem vidljivog svijetla. Kako se ova tehnologija dijeli na dva osnovna dijela, kroz rad se naglašava ju razlike pri
korištenju OW (eng. Optical Wireless) i FSO (eng. Free space Optics). TakoĊer, rad opisuje sastavne dijelove i korištene tehnologije za ostvarivanje beţiĉnih optiĉkih komunikacija, tehniĉke
karakteristike postojećih sustava, moguća poboljšanja, podruĉja primjene pojedinih tehnologija te mogućnosti daljnjeg razvoja. Struktura rada prati konceptualni model komunikacijskog kanala. U prvom djelu rada obraĊuju se zahtje vi modernih komunikacijskih sustava velike propusnosti i trenutno raspoloţive tehnologije kojima se 4G komunikacijski zahtjevi ostvaruju. Drugi dio rada sluţi kao uvod u komunikacijske tehnologije koje kao medij prijenosa koriste elektromagnetsko zraĉenje unutar vidljivog spektra ili VLC (Visible Light Comunication), te su u tom djelu obraĊeni osnovni koncepti ove komunikacijske tehnologije. Treći dio obraĊuje odašiljaĉke tehnologije. Opisani su najadekvatniji pretvaraĉi za prilagodbu signala prijenosnom mediju i opcije pri kodiranju signala, uz analizu najadekvatnijih
rješenja za optimizaciju komunikacija putem vidljivog svjetla. Kroz ĉetvrti dio rada analizirana su svojstva tehnologija prijema signala. Kao i u djelu koji ga prethodi, iznesena su svojstva te prednosti i nedostaci primjena pojedinih tehnologija pri prijemu signala i njihov utjecaj na komunikacijski kanal, odnosno kvalitetu signala.
U petom djelu obraĊen je komunikacijski medij i njegov utjecaj na signal. Iznesene su specifiĉnosti za komunikacijske kanale u satelitskim i zemaljskim komunikacijama putem vidljivog svjetla, te zasebno medij prijenosa kod lokalnih (OW) komunikacijskih veza pri VLC.
U zadnjem, šestom djelu opisane su moguće primjene komunikacija vidljivim svjetlom, uz naglasak na upotrebu istih u pomorskim komunikacijama.
2
2.
Komunikacijski sustavi četvrte generacije (4G) Procesorske mogućnosti raĉunalnih informatiĉkih sustava rastu sukladno Moor -ovom
zakonu koji tvrdi da se broj tranzistora u mikroprocesoru udvostruĉuje svakih 18 mj eseci. Posljedica tog povećanja je rast u informatiĉkoj i raĉunalnoj tehnologija koji je doveo do proširenja primjene raĉunalnih sustava na mnoge segmente ljudskih ţivota, kao npr. komunikacije, umjetnost ili ĉak socijalnu interakciju. Povećanje procesorske sposobnosti uzrokovalo je i minimizaciju raĉunalnih ureĊaja, što je dodatno integriralo raĉunalnu tehnologiju u svakodnevni ţivot. U razvijenim drţavama danas je ţivot bez mobitela ili osobnog raĉunala gotovo nezamisliv. Tehnologija koja moţda ima i najveći utjecaj na moderno društvo je Internet. Umreţavanje raĉunalnih sustava bila je logiĉna zamisao od samog poĉetka raĉunalne revolucije, no World Wide Web, odnosno Internet kakvim ga korisnici danas znaju, proizašao je iz otvaranja pristupa informacijskoj komunikacijskoj mreţi evropske organizacije za nuklearna istraţivanja CERN (eng. European Organization for Nuclear Research), ĉijem je razvoju ponajveći doprinos dao britanski znanstvenik Tim Barners -Lee, zvan i ocem World Wide Web-a [1].
Današnji Internet osim za razmjenu znanstvenih podataka, sluţi i kao komunikacijska podloga putem koje se vrše poslovne transakcije, socijalne interakcije, pristupa se zabavnom sadrţaju ili vrši jednostavna meĊusobna komunikacija. Uslijed već prethodno spomenutog rasta raĉunalne podloge, došlo je i do eksplozivnog rasta sadrţaja kojemu se moţe pristupiti putem Interneta. IP telefonija (glasovni pozivi putem Interneta), IPTV (televizijski prijenos putem Interneta), obrazovni portali i socijalne mreţe samo su neki od tih sadrţaja. Ovi sadrţaji dolaze do izraţaja zbog konstantnog rasta u propusnosti komunikacijskih
kanala kojima se vrši umreţavanje. Sa porastom mogućnosti raste i potraţnja za sadrţajem, što u krajnjosti dovodi do potrebe povećanja brzina prijenosa i propusno sti komunikacijskog kanala. Što se tiĉe fiksnih (ţiĉanih) komunikacijskih sustava, trenutno najizraţeniju tehnologiju predstavlja komunikacija putem optiĉkih vlakana. Maksimalna propusnost podataka korištenjem optiĉkih vlakana trenutno još uvijek nije dostignuta zahvaljujući napretku u tehnološkom razvoju i raznim metodama multipleksiranja i modulacije signala kroz komunikacijski kanal. Godine 2011. 3
postignuta je brzina prijenosa od 109 Tbit/s (Terabita po sekundi) [2]. Dakle, moţe se zakljuĉiti da trenutno komunikacije putem optiĉkih vlakana još uvijek zadovoljavaju potrebe.
Kod mobilnih komunikacija problem je malo drugaĉiji. Beţiĉne komunikacije zasnovane su na upotrebi elektromagnetskog spektra od 3 kHz do 300 GHz. Iako velik, taj je spektar konaĉan, dakle ograniĉen, a njegovo ograniĉenje sve više dolazi do izraţaja. S obzirom na prethodno navedenu minijaturizaciju multimedijalnih, komunikacijskih i
raĉunalnih ureĊaja, istima se u dovoljnoj mjeri smanjuju dimenzije da bi ih korisnici mogli imati pri ruci u svakom trenutku. Primjeri takvih ureĊaja su mobitel, tablet PC te laptop raĉunalo. S obzirom
na procesorske mogućnosti tih ureĊaja, njihovi korisnici ţele imati ugraĊenu mogućnost beţiĉnog povezivanja na Internet. TakoĊer, s obzirom na sadrţaj kojemu ţele moći pristupati, potrebno je tim ureĊajima omogućiti širokopojasni beţiĉni pristup Internetu. Radio komunikacijski ekvivalent Moor-ovog zakona, tzv. Cooper-ov zakon, kaţe da se
najveći broj podatkovnih transakcija koje se mogu izvršiti unutar iskorist ivog radio frekvencijskog spektra udvostruĉuje svakih 30 mjeseci. Unatoĉ tome, iskoristivi spektar postaje sve iskorišteniji, a broj korisnika i dalje raste.
Priopćenje Drţavnog Zavoda za Statistiku Republike Hrvatske o uporabi Informacijskih i komunikacijskih tehnologija za 2007. godinu izdano 19. Rujna 2008. godine opisuje relativno nisku
opremljenost kućanstava sa informacijskim i komunikacijskim tehnologijama, uz ĉak 40% kućanstava povezano na Internet putem dial-up ili ISDN veze. U 2012. godini broj k ućanstava sa vezom na Internet blago je porastao, no broj širokopojasnih veza je znatno porastao sa 54% (2007) na 72%, dok je dial-up veza pala na 1% [3][4]. Na Slici 1. prikazana je namjera uporabe Interneta u
prvom tromjeseĉju 2012. godine, prema podacima Drţavnog Zavoda za Statistiku. Na slici je vidljivo da 42% korisnika Interneta u Republici Hrvatskoj koristi telefoniju i videokonferenciju putem Interneta, 46% koristi Internet radio/TV, 57% preuzima multimedijalni
sadrţaj te 56% koristi socijalne mreţe. Ove vrste sadrţaja traţe znatnu propusnost podataka, a s obzirom da velik broj korisnika pristupa istima putem mobilnih ureĊaja, potrebno je korisnicima osigurati širokopojasni pristup te što veću pokrivenost signalom.
4
Slika 1. Namjera uporabe Interneta u prvom tromjeseĉju 2012
Izvor: Uporaba informacijskih i komunikacijskih tehnologija (IKT) u kućanstvima i od pojedinaca u 2007., Prvi rezultati; Drţavni Zavod za Statistiku Republike Hrvatske; http://www.dzs.hr/Hrv_Eng/publication/2012/02-0302_01_2012.htm
Razvijajući tehnologiju povezivanja komunikacijskih i raĉunalnih informatiĉkih ureĊaja, odreĊene tehnologije grupirane su u tzv. generacije komunikacijskih tehnologija. Od prvih analognih telekomunikacijskih standarda oznaĉenih kao prva generacija (1G) do, danas najviše u uporabi, treće generacije (3G), uglavnom je najveći napredak vršen u prilagodbi postojeće
tehnologije iskorištavanja radio frekvencijskog spektra raznim metodama modulacije i digitalizacije signala, ograniĉavanje dometa te segmentacije spektra. 3G komunikacijski sus tavi imaju minimalnu standardnu propusnost 200kbps, no uglavnom nadmašuju tu brojku. Nasljednik treće generacije je 4G skup komunikacijskih tehnologija kojemu je odreĊena standardna propusnost od 1Gbit/s za stacionarne komunikacijske sustave, odnosno 100Mbit/s za mobilne komunikacijske sustave. Trenutno ITU (International Telecommunication Union) priznaje pod 4G samo LTE i WiMAX tehnologije [5].
LTE (Long Term Evolution) je standard beţiĉne komunikacije koji je proizašao iz GSM (Global System for Mobile Communication) i UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) standarda koji su definirali 3G komunikacijske tehnologije [6]. Zahtjevi LTE tehnologije prikazani su u tablici 1.
5
Tablica 1. Zahtijevane performanse LTE standarda Izvor: TECHNICAL WHITE PAPER:Long Term Evolution (LTE): A Technical Overview; Motorola Inc. 2007.
Mjera
Zahtjev
Dolazni smjer komunikacijske veze (downlink): 100Mbit/s
Vršna propusnost podataka
Odlazni smjer komunikacijske veze (uplink): 50Mbit/s (za frekvencijski spektar 20 MHz)
Podrška mobilnosti
Do 500 km na sat (optimiziran za sustave manje mobilnosti od 0 do 15 km na sat)
Sustavno kašnjenje (vrijeme prijelaz a
<100 ms
izmeĎu aktivnog i pasivnog stanja sustava) Korisničko kašnjenje (vrijeme odziva na
<5 ms
korisničku aktivnost) Sustavni kapacitet
>200 korisnika po ćeliji (za spektar 5 MHz) 5 do 100 km (lagana degradacija izvan
Pokrivenost
radijusa od 30 km) 1.25, 2.5, 5, 10, 15 i 20 MHz
Frekvencijski spektar
LTE sastavljen je od više funkcionalnih elemenata. Jedan od najosnovnijih funkcionalnih elemenata LTE tehnologije je ERAN (Evolved Radio Access Network) sastavljen je od jednog
mreţnog eNB (eNodeB) ĉvora koji se izravno veţe na korisniĉku opremu [7]. eNB mreţni ĉvor sadrţi fiziĉki, MAC (Medium Access Control), RLC (Radio Link Control) te PDCP (Packet Da ta Control Protocol) sloj.
SGW (Serving Gateway) funkcionalni element upravlja i prosljeĊuje podatkovn e pakete, istovremeno djelujući kao upravitelj eNB mreţnih ĉvorova, te kao medij kompatibilnosti sa 2G i 3G komunikacijskim sustavima.
MME (Mobility Management Entity) funkcionalni element je osnovni kontrolni ĉvor LTE pristupne mreţe. MME je odgovoran za pretraţivanje korisniĉke opreme (UE – User Equipement) 6
kad je ona u stanju ĉekanja ( Idle). Preko njega se vrši proces aktivacije/deaktivacije i odabir SGW -a za odreĊeni korisniĉki ureĊaj. PDNGW (Packet Data Network Getaway) funkcionalni element pruţa povezivost korisniĉke opreme sa paketnim podatkovnim mreţama time što predstavlja ulazno/izlaznu toĉku korisniĉkog ureĊaja. TakoĊer, kljuĉna uloga PDNGW -a je omogućavanje prelaska izmeĊu 3GPP (3G Partnership Project) tehnologija i tehnologija koje ne spadaju pod 3GPP poput WiMAX-a. Tablica 2. E-UTRA pojasevi / Širina kanala Izvor: 3GPP TS 36.101 V11.2.0 Release 11; Technical Specification; ETSI; 2012
E-UTRA
Uplink (UL) operacijski
Operacijski pojas pojas
Downlink (DL) operacijski
Metoda
pojas
Dupleksiranja
-
-
1
1920 MHz – 1980 MHz
2110 MHz – 2170 MHz
FDD
2
1850 MHz – 1910 MHz
1930 MHz – 1990 MHz
FDD
3
1710 MHz – 1785 MHz
1805 MHz – 1880 MHz
FDD
4
1710 MHz – 1755 MHz
2110 MHz – 2155 MHz
FDD
5
824 MHz – 849 MHz
869 MHz – 894MHz
FDD
6
830 MHz – 840 MHz
875 MHz – 885 MHz
FDD
7
2500 MHz – 2570 MHz
2620 MHz – 2690 MHz
FDD
8
880 MHz – 915 MHz
925 MHz – 960 MHz
FDD
9
1749.9 MHz – 1784.9 MHz
1844.9 MHz – 1879.9 MHz
FDD
10
1710 MHz – 1770 MHz
2110 MHz – 2170 MHz
FDD
11
1427.9 MHz – 1447.9 MHz
1475.9 MHz – 1495.9 MHz
FDD
12
699 MHz – 716 MHz
729 MHz – 746 MHz
FDD
13
777 MHz – 787 MHz
746 MHz – 756 MHz
FDD
14
788 MHz – 798 MHz
758 MHz – 768 MHz
FDD
15
Rezervirano
Rezervirano
FDD
16
Rezervirano
Rezervirano
FDD
17
704 MHz – 716 MHz
734 MHz – 746 MHz
FDD
18
815 MHz – 830 MHz
860 MHz – 875 MHz
FDD
19
830 MHz – 845 MHz
875 MHz – 890 MHz
FDD
7
20
832 MHz – 862 MHz
791 MHz – 821 MHz
FDD
21
1447.9 MHz – 1462.9 MHz
1495.9 MHz – 1510.9 MHz
FDD
22
3410 MHz – 3490 Mz
3510 MHz – 3590 MHz
FDD
23
2000 MHz – 2020 MHz
2180 MHz – 2200 MHz
FDD
24
1626.5 MHZ – 1660.5 MHz
1525 MHz – 1559 MHz
FDD
25
1850 MHz – 1915 MHz
1930 MHz – 1995 MHz
FDD
26
814 MHz – 849 MHz
859 MHz – 894 MHz
FDD
27
807 MHz – 824 MHz
852 MHz – 869 MHz
FDD
28
703 MHz – 748 MHz
758 MHz – 803 MHz
FDD
…
…
…
33
1900 MHz – 1920 MHz
1900 MHz – 1920 MHz
TDD
34
2010 MHz – 2025 MHz
2010 MHz – 2025 MHz
TDD
35
1850 MHz – 1910 MHz
1850 MHz – 1910 MHz
TDD
36
1930 MHz – 1990 MHz
1930 MHz – 1990 MHz
TDD
37
1910 MHz – 1930 MHz
1910 MHz – 1930 MHz
TDD
38
2570 MHz – 2620 MHz
2570 MHz – 2620 MHz
TDD
39
1880 MHz – 1920 MHz
1880 MHz – 1920 MHz
TDD
40
2300 MHz – 2400 MHz
2300 MHz – 2400 MHz
TDD
41
2496 MHz – 2690 MHz
2496 MHz – 2690 MHz
TDD
42
3400 MHz – 3600 MHz
3400 MHz – 3600 MHz
TDD
43
3600 MHz – 3800 MHz
3600 MHz – 3800 MHz
TDD
44
703 MHz – 803 MHz
703 MHz – 803 MHz
TDD
U tablici 2., prikazani su frekvencijski pojasevi E-UTRA (Evolved Universal Terrestrial
Radio Access) specifikacije beţiĉnog suĉelja 3GPP LTE komunikacijskog standarda. Iz tablice je vidljivo da za razliku od TDD (Time Domain Duplexing) dupleksiranja gdje se koriste isti frekvencijski pojasevi za dolazni i za odlazni smjer komunikacije, kod FDD (Frequency Domain Duplexing) dupleksiranja koristi, u osnovi dvostruki frekvencijski spektar kako bi se ostvarila istovremena dvosmjerna komunikacija. To dodaje brzini prijenosa, ali povećava iskorištenje frekvencijskog spektra.
8
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) je beţiĉni komunikacijski standard koji, uz LTE zadovoljava 4G potraţnju od 1 Gbit/s komunikacijske veze za fiksne korisnike. Osnovan je na IEEE 802.16 standardu, a trenutna standardna verzija je IEEE 802.16e u
kojoj je standard definiran nad frekvencijskim pojasom od 10 do 66 GHz [8]. Standard podrţava i TDD i FDD metode dupleksiranja. WiMAX koristi OFDM (Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing) pri kodiranju podataka za više frekvencija vala nosioca te predstavlja kvalitetno rješenje za ostvarivanje beţiĉne veze kod problema posljednjeg kilometra, odnosno kao alternativa fiziĉkoj xDSL (Digital Subscriber Line) vezi. Studija provedena u 2008. godini dokazala je postojanje smetnji u C pojasu (4 – 8 GHz) satelitskih komunikacija uzrokovana preklapanjem radio frekvencijskog spektra WiMAX standarda [9].
Kao što je vidljivo iz navedenog, trenutne sluţbene 4G komunikacijske tehnologije dodatno opterećuju raspoloţivi frekvencijski spektar. Uz to, te tehnologije i dalje zadrţavaju nedostatke radio komunikacija na kojima su temeljene (poput uzrokovanja smetnji, što je i razlog zabrane korištenja nekih komunikacijskih ureĊaja u b lizini osjetljive mjerne, navigacijske ili medicinske opreme i instrumentacije).
Najizraţenija alternativa korištenju radio frekvencijskog spektra je uporaba optiĉkih komunikacija. Optiĉke veze pruţaju velike brzine prijenosa i propusnost, ali se trenutno najĉešće vrše iskljuĉivo putem optiĉkih vlakana. Iako optiĉka vlakna imaju velik udio u kvaliteti i brzini prijenosa podataka, kako bi se udovoljili zahtjevi zakazani 4G komunikacijskim standardima,
potrebno je omogućiti beţiĉni širokopojasni prijenos podataka. Tu do izraţaja dolaze beţiĉne optiĉke komunikacije korištenjem vidljivog svijetla, što je i tema ovog rada. U nastavku se opisuje osnovno naĉelo rada, tehnološka dostignuća i mogućnosti beţiĉnih komunikacija putem vidljivog svijetla.
9
3. Komunikacija vidljivim svijetlom Komunikacija vidljivim svijetlom nije novi koncept. U osnovi, to je jedno od najosnovnijih i
najstarijih naĉina ljudske komunikacije. Vid je, sam po sebi kod ljudi najizraţeniji osjet, pa se tako i nametnuo kao jedan od najosnovnijih medija meĊuljudske komunikacije.
Prije uvoĊenja radio komunikacija u pomorstvo i pomorski promet, plovila su meĊusobno koristila svjetiljke sa mehaniĉki rukovanim zasunom. Rukovatelj bi otvarajući i zatvarajući zasun Morseovim kodom slao poruke drugim plovilima ili na kopno, odnosno obrnuto, s kopna prema
plovilu. Iako je ova tehnologija zastarjela i ne moţe podrţavati moderne standarde pomorskih komunikacija (ili komunikacija općenito) sam koncept prijenosa ostaje isti. Kod beţiĉnih optiĉkih komunikacijskih sustava moţe se povući paralela sa tehnologijom ţiĉanog prijenosa optiĉkog
signala korištenjem optiĉkih vlakana. Osnovna je razlika dakako ĉinjenica da se kao medij prijenosa optiĉkog signala ne koristi optiĉko vlakno izraĊeno od silicija, već atmosfera (uz sve prednosti i nedostatke koje to povlaĉi). U nastavku se opisuju osnovne tehnologije beţiĉnog prijenosa podataka korištenjem vidljivog svijetla.
3.1.
FSO – Free Space Optics
FSO (Free Space Optics) je skup tehnologija beţiĉnih komunikacija velikog kap aciteta koji koriste usku kolimiranu Gausovsku zraku pri prijenosu podataka. Jednostavnije reĉeno, FSO koristi uski laserski svjetlosni izvor. Zraka se prostire kroz atmosferu, pa su atmosferski uvjeti kljuĉni ĉimbenici u kvaliteti prijenosa, odnosu signal/šum (SNR – Signal to Noise Ratio) i BER-u (Bit Error Ratio). Neke od prednosti koje FSO uvodi su:
Komunikacijski ĉvorovi nisu fiziĉki povezani (Beţiĉni komunikacijski sustav)
Jeftiniji od sustava sa optiĉkim vlaknima
FSO sustav je otporan na RF smetnje
Sigurnost od preslušavanja signala
Velika brzina prijenosa podataka
Jeftinije od RF sustava (Ne traţi zakup RF spektra) 10
Uska kolimirana koherentna Gausovska zraka laserskog izvora podloţna je atmosferskoj atenuaciji uzrokovanoj Rayleigh-ovim i Mie-ovim raspr šivanjem. Rayleigh-ovo raspršenje uzrokovano je molekulama prisutnim u atmosferi, i proporcionalno
je valnoj duljini. Ova vrsta raspršenja prisutna je i u optiĉkim vlaknima, no njegov utjecaj je umanjen zbog velike ĉistoće optiĉkih vlakana. Mie-ovo raspr šenje uzrokovano je većim ĉesticama u zraku i uvelike ovisi o njihovim
dimenzijama. Ova vrsta raspršenja ima znatno destruktivniji uĉinak na FSO optiĉku vezu, do te mjere da se uslijed njega veza moţe i u potpunosti prekinuti. S obzirom da je Rayleigh -ovo raspršenje vezano uz sam sastav atmosfere, ono je barem u zemaljskim komunikacijskim sustavima neizbjeţno, no Mie -ovo raspršenje dolazi do izraţaja pri nepovoljnim vremenskim atmosferskim uvjetima kao što su to magla, kiša ili snijeg. S obzirom da su atmosferski fenomeni stohastiĉki procesi, dakle po prirodi nepredvidivi, FSO komunikacijski sustav trebao bi biti uparen rezervnim
komunikacijskim sustavom poput RF veze. Najveći utjecaj na FSO komunikacijsku vezu putem Mie-ovog raspršenje ima magla, što je i p rikazanou nastavku rada.
FSO predstavlja usmjerenu vezu, no ovisno od vrste ĉvora, moguće je ostvariti razne mreţne topologije. Osnovne mreţne topologije FSO komunikacijskih mreţa prikazane su na slici 2. Domet FSO veze relativno je ograniĉen, ali relativ no mala cijena i jednostavnost instalacije ĉine ovu tehnologiju kvalitetnim rješenjem problema posljednjeg kilometra ili povezivanja gusto naseljenih urbanih sredina u kojima bi postavljanje optiĉkog svjetlovoda bilo razmjerno skupo ili izazvalo funkcionalne probleme (prometne guţve i sl.).
11
Slika 2. Topologije FSO komunikacijskih mreţa: a) mreţasta b) od toĉke do toĉke c) zvjezdasta d) prstenasta Izvor: FSO Topologies; http://www.laseroptronics.com/index.cfm/id/57-68.htm; 21. 02. 2013
Uz zemaljsku FSO vezu razmatra se i satelitska komunikacijska veza osnovana na istom
naĉelu. Takva bi veza sluţila za meĊu satelitsku komunikaciju [10], ali i za komunikaciju zemaljske stanice sa satelitom u zeml jinoj orbiti [11]. S obzirom na izostanak atmosfere, prigušenje koje ona
vrši na komunikacijski signal svedeno je na minimum pa se mogu postići znatno veće udaljenosti. Problem tada postaje mobilnost komunikacijskog sustava. Ako su sateliti u geostacionarnoj orbiti,
meĊusobna komunikacija bi u pravilu trebala biti olakšana pošto su takvi sateliti meĊusobno stacionarni ili kvazi stacionarni. U sluĉaju da sateliti nisu stacionarni u odnosu na odašiljaĉ potrebno je implementirati sustave kompenzacije mobilnosti odašiljaĉa i prijemnika [12]. Zamisao
o meĊu satelitskoj komunikaciji putem optiĉke veze nije nipošto nova. Već osamdesetih godina prošloga stoljeća radilo se na projektiranju takvih sustava, no s obzirom na ograniĉena dostignuća u 12
tom podruĉju projektir ani sustavi nisu bili kompetitivni u odnosu na RF komunikacijske sustave. Primjer jednog takvog sustava je SILEX (Semi-conductor Inter-satellite Link EXperiment) laserski terminal razvijan od strane ESA-e (European Space Agency). Slika 3 prikazuje presjek SILEX terminala.
Slika 3. SILEX laserski terminal za meĊu satelitsku komunikaciju Izvor: Optical Communications in Space - Twenty Years of ESA Effort; http://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet91/b91lutz.htm; 23. 2. 2013
SILEX projekt trebao je biti u stanju omogućiti vezu od 50 Mbit/s za LEO (Low Earth Orbit) i GEO (Geostationary Orbit) satelite koristeći Galij-Aluminij-Arsenid (GaAlAs) poluvodiĉke laser-diode [13].
Tvrtka Laser Light TM zapoĉela je krajem 2012. god. lan siranje konstelacije satelita koji bi trebali predstavljati prvu komercijalno raspoloţivu satelitsku komunikacijsku mreţu koja u 13
potpunosti koristi iskljuĉivo FSO sustav za dvosmjernu komunikaciju izmeĊu satelita i sa baznom stanicom na zemlji, neovisno o atmosferskim uvjetima [14]. Planirana konstelacija sadrţat će 12 satelita postavljena u orbitu na 10500 km (MEO – Medium Earth Orbit) od kojih će 8 biti primarni
a 4 rezervni. Planirana propusnost meĊu satelitske veze je 4.8 Tbps dok je propusnost veze sa zemaljskom stanicom ograniĉena na 200 Gbit/s. Satelitski FSO komunikacijski sustavi razvijaju se na naĉin da omoguće što veću propusnost i mobilnost na velike udaljenosti, zemaljski FSO sustavi meĊutim razvijaju se na naĉin da se poveća otpornost na smetnje uzrokovane atmosferskim uvjetima te propusnost, ali se pritom zanemaruje
mobilnost (barem u komercijalnim sustavima). Mobilnost zemaljskih FSO sustava povlaĉi korištenje kompliciranih i osjetljivih mehaniĉkih ureĊaja za pozicioniranje odašiljaĉa i prijem nika što povećava kompleksnost cjelokupnog sustava. Unatoĉ tome, mobilnost na manjim razinama je poţeljna, pošto su FSO ĉvorovi podloţni mehaniĉkim vibracijama uzrokovanim vjetrom ili mikro seizmiĉkim aktivnostima. Ona se meĊutim moţe implementirati jednostavnijim mehanizmima korekcije laserskog odašiljaĉa i korištenjem povratne veze. No općenito govoreći, trenutno svi komercijalno raspoloţivi FSO komunikacijski sustavi koriste se u fiksnim beţiĉnim vezama. Kako FSO konceptualno nije komplicirani komunikacijski sustav, a komponente za izradu FSO komunikacijskog sustava javno su dostupne, postoji i Open Hardware projekt optiĉkog primopredajnika RONJA (Reasonable Optical Near Joint Access) na internetu [15], uz detaljan opis sustava, popis komponenti i sheme elektroniĉkih sastavnih sklopova. RONJA projekt nudi dva modela FSO primopredajnika; Tetrapolis i Inferno
sustav. Tablica 3 prikazuje tehniĉke specifikacije ova dva sustava. Komercijalno raspoloţivi sustavi imaju oĉekivano znatno bolje performanse. Trenutn i sustavi podrţavaju brzine prijenosa od 1.25 Gbit/s, a razvijaju se i sustavi koji bi u teoriji trebali biti u mogućnosti postići brzine i do 160 Gbit/s [16], što u potpunosti zadovoljava potraţnje 4G standarda za fiksne mreţe. Komercijalni FSO komunikaci jski sustavi koriste laserske izvore koji zraĉe valne duljine od 780, 850 i 1550 nm. Ovisno o korištenoj valnoj duljini mijenja se snaga signala te njegov domet. Sustavi koji koriste valnu duljinu od 1550 nm mogu zraĉiti signal znatno veće snage (ĉime se povećava i domet) pošto valne duljine ispod 1400 nm roţnica ljudskog oka usmjerava izravno na mreţnicu, što moţe dovesti do oštećenja oka ili ĉak gubitka vida, dok su valne duljine iznad te granice bezopasne.
14
Tablica 3. RONJA FSO Open Hardware specifikacija za modele Tetrapolis i Inferno Izvor: RONJA - Reasonable Optical Near Joint Access; http://ronja.twibright.com/; 23. 2. 2012
RONJA Tetrapolis
RONJA Inferno
Propusnost
10 Mbit/s
10 Mbit/s
Modalitet prijenosa
Full Duplex
Full Duplex
Domet
1.4 km
1.25 km
Sučelje
RJ45 konektor, IEEE 802.3 RJ45 konektor, IEEE 802.3
UTP suĉelje
UTP suĉelje
Srednja potrošnja snage
225 mA
275 mA
Valna duljina
625 nm
857 nm
Optička snaga
17.2 mW
30 mW
Divergencija zrake
1.9 mrad
3 mrad
Težina
15.5 kg
15.5 kg
Atmosferska vidljivost
4 km
4 km
Modulacija signala
BPSK
(Binary
phase-shift BPSK
keying)
(Binary
phase-shift
keying)
Prema predviĊanjima [17], udio FSO komunikacijskih veza treba o bi do 2018. godine narasti za gotovo duplo. U 2012. godini globalno trţište komercijalnih FSO sustava naraslo je 13% u odnosu na 2011. godinu. Analiza trţišta APAC (Asia -Pacific), EMEA (Europe, Middle East and Africa) te Latinske i Sjeverne Amerike pokazala su da bi kroz narednih pet godina (predviĊanje za
2018. god) komercijalna upotreba FSO komunikacijskih sustava najviše narasti u APAC regiji (predviĊeni rast od 19%), zatim u Amerikama (predviĊeni rast 12%) a najmanji rast zapravo se oĉekuje u EMEA regiji sa predviĊenim rastom od 4.6%. APAC regija ima najveći potencijal za rast upotrebe komercijalnih FSO sustava pošto je to trţište koje se postepeno širi. Slika 4 prikazuje grafikon predviĊenog rasta (desni stupac) za 2018. godinu u odnosu na zabiljeţeni rast (lijevi stupac) u 2012. godini.
15
Slika 4. Globalno trţište komercijalnim FSO komunikacijskim sustavima: 2018 (desni stupac)
2012 (lijevi stupac),
Izvor: Optics.org: Free-space optics market reach $58M by 2018; http://optics.org/news/4/1/3; 23. 2. 2013
3.2.
OW – Optical Wireless
OW (Optical Wireless) tehnologija koristi iste osnovne koncepte prijenosa podataka kao i
FSO. Najveća razlika je u ĉinjenici da OW ne koristi usku kolimiranu Gausovsku zraku, nego Lambertski izvor. Kao posljedica, OW ne podrţava domete koji su mogući kod FSO komunikacija,
ali zato dozvoljava veću razinu mobilnosti uz smanjenu kompleksnost samog primopredajnog sustava.
Lambertov izvor zraĉenja je svaki izvor elektromagnetskog zraĉenja koji podlijeţe Lambertovom zakonu kosinusa, odnosno to je idealni difuzni izvor kod kojeg je intenzitet
promatranog zraĉenja izravno proporcionalan kosinusu kuta izmeĊu promatraĉa i normale na izvor zraĉenja. OW komunikacijska tehnologija osmišljena je na naĉin da uz širok prostorni kut zraĉenja pruţa veću pokrivenost. FSO traţi ĉistu zraĉnu optiĉku liniju kako bi se signal mogao prenijeti sa odašiljaĉa do prijemnika, no OW teoretski omogućava i prijem reflektiranog signala [18]. Iz ovoga se moţe zakljuĉiti da je idealna primarna namjena OW komunikacijske tehnologije korištenje u lokalnim pristupnim beţiĉnim mreţama, uglavnom u manjim zatvorenim prostorijama (u privatnim 16
kućanstvima, ĉekaonicama putniĉkih terminala, ugostiteljskim objektima, itd.). S obzirom da je ko d OW pokrivenost veća, znatno je lakše implementirati OW sustav u mobilne ureĊaje nego li FSO. FSO sustav ugraĊen u korisniĉke ureĊaje velike mobilnosti poput mobilnih telefona ili prenosivih raĉunala zahtijevao bi komplicirane mehaniĉke sustave pozicioniranja odašiljaĉa i prijemnika koji uz to moraju biti minijaturizirani do razine da stanu u mobilni korisniĉki ureĊaj. Debljina današnjih mobilnih telefona ili tablet raĉunala je oko 1 cm, pa je stoga jasno da bi tehnologija mehaniĉkog pozicioniranja bila nerazmjerno skupa u odnosu na ostale tehnologije koje se standardno ugraĊuju u mobilne ureĊaje. OW s druge strane, pokrivajući veću površinu moţe omogućiti prijem bilo gdje unutar podruĉja pokrivenosti, a s obzirom na prethodno spomenutu mogućnost primanja reflektiranog signala, nema ni potrebe za ĉistim optiĉkim pravcem izmeĊu odašiljaĉa i prijemnika. Brzine prijenosa do 800 Mbit/s koje je moguće postići korištenjem OW u pravilu nadmašuju potrebe 4G standarda za mobilne ureĊaje [19].
Slika 5. PredviĊanje rasta potraţnje LED r asvjete Izvor: Maximizing the Energy-Efficiency Benefits of LED Lighting; http://www.eebeat.com/?p=986; 24.2. 2013
OW koristi difuzni Lam bertov izvor svijetlosti. Dobar kandidat za OW odašiljaĉ je LED
(Light Emitting Diode) poluvodiĉka svjetleća dioda. LED izvor lako je modulirati a sama LED komponenta jeftina je i lako nabavljiva. 17
Unazad nekoliko godina sve ĉešće se spominju zamjene za r asvjetnu tehnologiju baziranu na ţaruljama sa ţarnom niti ili štednim halogenim ţaruljama. Nove štedne ţarulje koriste LED tehnologiju, te tako izrazito smanjuju potrošnju elektriĉne energije. LED tehnologija veoma je pouzdana pa stoga ni ne ĉudi da se sve ĉešće upotrebljava. Na slici 5 prikazan je predviĊeni rast upotrebe LED štednih ţarulja. Kako se LED tehnologija sve više poĉinje koristiti za rasvjetu, tako dolazi do izraţaja još jedna mogućnost unaprjeĊenja OW komunikacijske tehnologije. Spajanjem rasv jete i OW odašiljaĉa dobiva se oĉita prednost pri uvoĊenju ove komunikacijske tehnologije, pogotovo s obzirom na niţu cijenu implementacije takvog dvojnog rasvjetno/komunikacijskog sustava. Modulirani svjetlosni izvor korišten kao komunikacijski signal mor a koristiti modulaciju frekvencije veće od 20 Hz. Ljudsko oko ne biljeţi promjene koje se dešavaju ĉešće od 20 puta u sekundi, no to kod OW i ne predstavlja problem pošto su brzine prijenosa znatno veće. OW i FSO iako konceptualno sliĉne, predstavljaju zapravo vrlo razliĉite tehnologije. Kao što je to prethodno bilo napomenuto, FSO se koristi u urbanim mreţama od toĉke do toĉke (point to-point, point-to-multipoint) ili u meĊu satelitskoj komunikaciji, dok se OW koristi iskljuĉivo u
lokalnim pristupnim mreţama unutar prostorija. Svaki ĉvor FSO mreţe je primopredajni ureĊaj, dakle svaki je ureĊaj u osnovi jednak te se dolazni i odlazni smjer komunikacije odvijaju po istom kanalu. Potrebno je samo instalirati FSO primopredajnike na planirane ĉvorove i u vrlo kr atkom roku FSO mreţa je spremna za upotrebu. OW s druge strane ne koristi iste komunikacijske kanale za dolazni i odlazni smjer komunikacije. Glavni razlog za to je upravo ĉinjenica da OW koristi rasvjetu prostorije za odašiljanje signala. Implementacija j ake rasvjete na sam komunikacijski ureĊaj kako bi se ostvario odlazni smjer komunikacije svakako bi smetao korisniku ureĊaja, ali i ostalim korisnicima koji se nalaze u istoj prostoriji. Odlazni smjer komunikacije stoga nastoji se
implementirati korištenjem drugaĉijih metoda i tehnologija. Za dolazni komunikacijski smjer (Downlink) potrebno je koristiti bijelu LED rasvjetu moduliranu prikladnim metodama modulacije i
digitalnog kodiranja podataka. Za odlazni komunikacijski smjer (Uplink) postoji više raspoloţivih tehnologija. Korištenje infracrvenih poluvodiĉkih LED dioda nije novost na tom podruĉju, te se uz tu tehnologiju mogu postići zadovoljavajuće brzine prijenosa i propusnosti. Druga metoda je korištenje RF veze, no svrha OW je upravo pruţanje alternati ve RF vezi, pa se stoga RF tehnologija uglavnom izbjegava.
18
Jedna izrazito zanimljiva opcija za ostvarivanje odlazne veze je modulacija pozadinske
rasvjete LCD (Liquid Crystall Display) zaslona. Mobilni ureĊaji koji imaju (i traţe) mogućnost beţiĉne povezivosti u pravilu imaju LCD zaslon koji sluţi korisniku pri snalaţenju i korištenju multimedijalnih mogućnosti koje ti ureĊaju pruţaju. LCD tehnologija koristi pozadinsku rasvjetu koja osvjetljava sam zaslon s obzirom da ta tehnologija (za razliku od plazme ili zaslona sa
katodnom cijevi) ne zraĉi vlastitu svijetlost. Stariji LCD zasloni koristili su pozadinsku rasvjetu temeljenu na ELP (Electroluminescent Panel), CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp), HCFL (Hot Cathode Fluorescent Lamp) te EEFL (External Electrode Fluoraescent Lamp) tehnologijama.
Noviji LCD zasloni koriste LED tehnologiju zbog male potrošnje te zato što ih je lako ugraditi u korisniĉke ureĊaje velike mobilnosti koji postaju sve manjih dimenzija sa svakim novim modelom. Modulacija LED poluvodiĉke rasvjete, kao što je to već napomenuto, ne predstavlja veliki problem,
pa se ova metoda ostvarivanja odlazne komunikacijske veze nameće kao vrlo kvalitetna alternativa. Slika 6 prikazuje razlike u konceptima FSO i OW tehnologije beţiĉne komunikacije vi dljivim svijetlom.
Slika 6. Usporedba a) FSO i b) OW tehnologije prijenosa podataka putem vidljivog svjetla
19
4.
Odašiljačke tehnologije Komunikacije vidljivim svijetlom ne predstavljaju novi koncept, no razvojem modernih
poluvodiĉkih i drugih tehnologija njihova je implementacija postala znatno lakša, a sama propusnost podataka i brzina prijenosa povećali su se do razine na kojoj su zapravo iskoristivi za moderne komunikacijske potrebe.
Osnovni napredak koji omogućava digitalnu komunikaciju korištenjem elektromagnetskog zraĉenja unutar vidljivog spektra je razvoj poluvodiĉkih svjetlosnih izvora te poluvodiĉkih komponenti osjetljivih na vidljivo svijetlo (valne duljine od 400 do 700 nm).
Poluvodiĉke komponente koje zraĉe vidljivu svjetlost zovu se LED (Light Emitting Diode). Njihova velika prednost je vrlo brz odaziv pri ukljuĉivanju i iskljuĉivanju zbog poluvodiĉke tehnologije koja se u njima primjenjuje. LED izvori mogu biti difuzni (Lambertski) ili kolimirani (Gausov). Difuzni izvori primjenjuju se kod OW, a kolimirani kod FSO tehnologije prijenosa
podataka, kao što je to već prethodno bilo naglašeno. S obzirom na dvojnu upotrebu LED tehnologije za rasvjetu i kao OW odašiljaĉ, u pravilu se koriste iskljuĉivo bijeli LED izvori. Postoji više mogućih tehnologija za dobivanje bijelih LED poluvodiĉkih izvora, te će oni biti obraĊeni u nastavku. Na jĉešće korišteni kolimirani izvor je poluvodiĉki VCSEL (Vertical Cavity Surface
Emitting Laser) LED izvor preuzet iz tehnologije prijenosa podataka putem optiĉkih vlakana gdje se takoĊer upotrebljava kao modulirani svjetlosni izvor. Osim poluvodiĉkog laser a, razmatra se i mogućnost korištenja nekoherentne ili parcijalno koherentne kolimirane zrake dobivene uz pomoć obiĉnog LED izvora i optiĉkog sustava leća. Zbog razmjerno velike brzine odziva ovih izvora, modulacija signala je relativno jednostavna i vrši se jednostavnim spajanjem upravljaĉke elektronike izravno na LED ili VCSEL.
20
4.1.
Metode prijenosa signala putem vidljivog svijetla
Gausov izvor
je izvor elektromagnetskog zraĉenja koji odašilje Gausovu zraku. Gausova
zraka je kolimirana, radijalno simetriĉna zraka ĉije je elektriĉno polje zadano jednadţbom (1):
(1)
Drugim rijeĉima, Gausova zraka je zraka ĉije se elektriĉno polje smanjuje udaljavanjem od sredine zrake po Gausovoj (normalnoj) razdiobi [20]. Parametar
središta zrake, a parametar
predstavlja udaljenost od
predstavlja takozvani polumjer Gausove zrake. Gausov polumjer je
udaljenost od središnje linije zrake na kojem intenzitet zraĉenja pada na , odnosno na 0.135 vršne (središnje, osne) v rijednosti. Intenzitet zraĉenja Gausove zrake takoĊer je opisan Gausovom razdiobom, i izraţen je formulom (2):
(2)
Gausova razdioba matematiĉki gledano nije omeĊena pa vrijednosti promjera mogu biti proizvoljno odreĊene. Ipak za praktiĉnu primjenu uzimaju se odreĊene vrijednosti polumjera na znaĉajnim toĉkama, kako bi se okarakterizirala zraka. Te toĉke su polumjer polovice (50%) maksimalnog intenziteta, koji je definiran na
te dvostruki Gausov polumjer (
) odnosno
toĉka u kojoj intenzitet pada na 0.0003 iznosa vršne vrijednosti (u toj se toĉki intenzitet smatra dovoljno malim da bude zanemariv za praktiĉne svrhe). Snaga zrake unutar polumjera
dobiva se integriranjem razdiobe intenziteta u granicama od
0 do . Izraz za snagu Gausove zrake u ovisnosti o polumjeru prikazan je u jednadţbi (3):
21
(3)
I snaga dakle ima Gausovu razdiobu, ali sa invertiranom ordinatom.
predstavlja
totalnu snagu zrake. Gotovo sva snaga sadrţana je unutar polumjera
. Polovica snage sadrţana
, a tek otprilike 10% sadrţano je unutar polumjera
. Totalna snaga zrake
je unutar
moţe se proraĉunati korištenjem izraza (4):
(4)
Opisivanje prostiranja Gausove zrake moţe se gotovo u potpunosti vršiti upotrebom
geometrijske optike. Zbog karakteristika zrake, promjene u intenzitetu zraĉenja sa rastom udaljenosti od izvora nije potrebno opisivati integralom. Transverzalna razdioba intenziteta ostaje
Gausova u bilo kojoj toĉki sustava, a mijenja se jedino polumjer razdiobe i zakrivljenost valne fronte.
Polumjer zrake povećanjem udaljenosti od izvora raste polako, pa sve brţe dokle ne postane proporcionalan udaljenosti od izvora. Polumjer Gausove zrake izraţen je u (5):
(5)
Polumjer valne fronte je u izvorišnoj toĉki jednak beskonaĉnosti, no odmah na udaljenosti većoj od nule postaje konaĉan, te konstantno opada povećanjem udaljenosti od samog izvora do toĉke minimuma, nakon koje ponovo poĉinje rasti dokle ne postane i on proporcionalan sa udaljenosti od izvora. Radijus valne fronte izraĉunava se pomoću izraza (6): 22
(6)
Pritom je
radijus zrake na izvoru, a
oznaĉava valnu duljinu zraĉene svjetlo sti. Iz izraza
(5) i (6) vidljivo je da se ponašanje zrake moţe u potpunosti opisati sa ova dva parametra. Zbog njihove vaţnosti, ĉesto ih se kombinira pod jedan parametar zvan Rayleigh -ova duljina. Rayleihova duljina je udaljenost uz os prostiranja od na juţe toĉke zrake (struk zrake) do toĉke u kojoj je
promjer zrake dva puta veći u presjeku. Vidljivo je da su prethodni izrazi definirani i za negativne udaljenosti od izvora. Negativne
vrijednosti udaljenosti od izvora lako je postići korištenjem fokalne leće pomoću kojih se postiţe negativna zakrivljenost valne fronte.
Zraka koja upada na leću je Gausova, odreĊenog promjera same zrake i pozitivne zakrivljenosti valne fronte. Nakon prolaska kroz leću, zakrivljenost valne fronte postaje negativna te se radijus zakrivljenosti povećava do tzv. struka zrake, u kojemu je promjer same zrake najuţi a
promjer valne fronte beskonaĉan. I ovakav kompleksni optiĉki sustav moţe se vrlo kvalitetno opisati pomoću izraza (5) i (6). Presjek Gausove zrake prikazan je na sl ici 7.
Slika 7. Profil i razdioba intenziteta Gausove zrake
Besselov izvor je izvor
koji zraĉi Besselovu zraku. Idealna se Besselova zraka ne ogiba pri
prostiranju (za razliku od Gausove zrake), ne divergira te sama sebe regenerira ako na optiĉkom pravcu širenja biva parcijalno preprijeĉena, pošto propagacijom zrake vanjski prstenovi odrţavaju središnji maksimum konstantnim. Projekcija Besselove zrake sastavljena je od središnje toĉke 23
maksimuma i periodiĉnih vanjskih koncentriĉnih prstenova. Idealnu Besselovu zraku nije moguće postići s obzirom da bi takva zraka imala beskonaĉan broj vanjskih prstenova što traţi beskonaĉnu koliĉinu energije. Besselova zraka je dakle usmjereno elektromagnetsko polje ĉija je amplituda (intenzitet zraĉenja) opisana Besselovim funkcijama prve vrste. Besselove funkcije prve vrste predstavljaju rješenje Besselove diferencijalne jednadţbe a izraţene su preko jednakosti (7):
(7)
Pri tom je
gama funkcija a
red Besselove funkcije. Ĉinjenica da idealna Besselova
zraka ne divergira i ne podlijeţe ogibu moţe se pokazati preko rješenja skalarne valne jednadţbe
izraţene pod [21] (8).
(8)
Koristimo rješenje oblika (9).
(9)
Gdje
oĉuvan sa udaljenošću
predstavlja dijagonalnu udaljenost do
, a boĉni oblik
ostaje
. Sada, uvrštavanjem rješenja (9) u skalarnu valnu jednadţbu dobivamo
izraz (10).
(10)
24
(11)
Sada, potrebno je uzeti u obzir Besselovu diferencijalnu jednadţbu (12)
(12)
oznaĉava Besselovu funkciju u cilindriĉnim koordinatama
u kojoj
poĉetno rješenje koristimo Besselovu funkciju nultog reda, pa je
-tog reda. Za , uz to vrijedi
pa je rješenje valne jednadţbe koja ne mijenja boĉni oblik u slobodnom prostoru sa porastom udaljenosti od izvora izraţen pod (1 3).
(13)
Kako je
, jednadţba (14) postaje kao što je prikazano u (15).
i
(14)
Ove dvije jednadţbe predstavljaju tzv. „stoţaste valove―, koji su zapravo analogni prikaz ravnih (planarnih) valova u cilindriĉnim koordinatama. Rješenje se svodi na ravni val koji putuje okomito od izvora (u smjeru
) za
. Dakako, dobiveni rezultat vrijedi za idealnu Besselovu
zraku koja u pravilu ne bi bila podloţna ogibu. Realna Besselova zraka jest podloţna ogibu, no moguće je svesti ogib na minimum za praktiĉne udaljenosti na kojima se ona moţe iskoristiti. Intenzitet idealne Besselove zrake moţe se opisati pomoću jednadţbe [22] (1 5).
25
(15)
U navedenom izrazu
predstavlja Besselovu funkciju
-tog reda,
vertikalni radijalni valni vektori pri ĉemu je elektromagnetskog zraĉenja. ,
i
i
, a
su okomiti i valna duljina
predstavljaju radijalnu, azimutalnu i uzduţnu komponentu u
cilindriĉnom koordinatnom sustavu. Postoji više naĉina na koje je moguće dobiti Besselovu zraku, ali najĉešće se koristi pretvorbom Gausove zrake uporabom Axicon (Aksikon) leće. Axicon je leća stoţastog oblika na koju se usmjerava Gausova zraka a na izlazu dobiva Besselova zraka sa prethodno navedenim svojstvima. Slika 8 prikazuje profil i osnovna svojstva Besselove zrake.
Slika 8. Profil i projekcija Besselove zrake
Lambertov izvor
je difuzni izvor elektromagnetskog zraĉenja kod kojega je intenzitet
zraĉenja definiran Lambertovim zakonom kosinusa. Lambertov zakon kosinusa kaţe da je promatrani zraĉeni intenzitet idealnog difuznog izvora izravn o proporcionalan kosinusu kuta ( ) izmeĊu pravca promatranja i normale na izvor zraĉenja. Osnovno svojstvo Lambertovog izvora je ĉinjenica da je koliĉina zraĉenja neovisna o kutu smjera zraĉenja. Takav izvor zraĉenja naziva se i izotropni [23]. Kako bi izrazili intenzitet Lambertovog izvora zraĉenja krećemo od diferencijala njegove površine
[24]. S obzirom da je
diferencijal po definiciji beskonaĉno mali moţe ga se prikazati kao toĉkasti izvor zraĉenja, pa je tok 26
koji napušta površinu modeliran pomoću geometrijskih zraka. Intenzitet ( ) svake zrake koja zraĉi iz površine pod kutom
u odnosu na normalu izraţen je preko Lambertovog zakona kosinusa
jednadţbom (16):
(16)
predstavlja intenzitet zraĉenja Lambertovog izvora po normali na površinu.
Pritom
Intenzitet zraĉenja diferencijala površine
koji ima konstantnu koliĉinu zraĉenja (odnosno
osvjetljenja) mijenja se u ovisnosti o projiciranoj površini koja iznosi
što daje izraz za
koliĉinu zraĉenja ( 17):
(17)
Postavimo li diferencijalni Lambertov izvor
na unutrašnju plohu zamišljene sfere, uslijed
zakona obrnutog kvadrata (zraĉena fizikalna veliĉina kao npr. intenzitet, obrnu to je proporcionalna kvadratu odaljenosti od izvora) dobivamo da je osvjetljenje bilo koje toĉke na unutarnjoj plohi sfere jednak izrazu (18):
(18) Pritom
oznaĉava udaljenost od izvora zraĉenja. MeĊutim, u sluĉaju zamišljene s fere
gdje je
promjer zamišljene sfere, pa dobivamo izraz (1 9):
(19)
27
Pa na posljetku iz Lambetrovog zakona kosinusa dobivamo pojednostavljeni izraz za
osvjetljenje prikazan u jednadţbi ( 20):
(20)
Preko izraza (20) sada je lako vidljivo da je zapravo osvijetljenost bilo koje toĉke na
unutarnjoj plohi zamišljene sfere konstantna. Osvijetljenost je definirana kao derivacija gustoće zraĉenog toka po površini ( 21):
(21)
Iz ove definicije vidljivo je da za konstantnu gustoću toka kroz konaĉnu omeĊenu površinu vrijedi jednakost (22): (22)
Kako je površina
sfere zadana izrazom
, dobivamo da je gustoća toka
zapravo jednaka (23):
(23)
Snaga elektromagnetskog zraĉenja po jedinici površine dobiva se uvrštavanjem izraza ( 23) kako bi se dobila jednadţba ( 24): 28
(24)
Uz sve gore navedene izvore, vaţno je napomenuti da idealni difuzni Lambertov izvor u stvarnosti ne postoji. MeĊutim, ovaj model izrazito dobro aproksimira svojstva većine poluvodiĉkih LED
svjetlosnih
izvora.
Slika
9
prikazuje
dijagram
difuznog
elektromagnetskog zraĉenja poluvodiĉke LED diode.
Slika 9. Grafiĉki prikaz zraĉenja Lamberovog izvora
29
Lambertovog
izvora
4.2.
Modulacija signala
Modulacija je proces u kojemu se karakteristike medija koji prenosi informacije oblikuju u
odnosu na karakteristike nekog drugog medija za prijenos informacija. Prvi medij sadrţi modulirani signal (ĉesto ga se naziva i signal nositelj) dok drugi medij sadrţi modulacijski signal . Medij prijenosa signala moţe biti zvuk (odnosno zrak), elektromagnetsko zraĉenje u radio frekvencijskom podruĉju ili, kao što je to sluĉaj kod OW i FSO komunikacija, vidljivo svijetlo. Tipiĉna svojstva signala koja se koriste pri modulaciji su amplituda, frekvencija i faza. Postoje dvije osnovne vrste modulacije; digitalna i analogna. Za moderne komunikacijske
potrebe koriste se u pravilu iskljuĉivo digitalne modulacije. Dakle, za potrebe komunikacija vidljivim svijetlom koristi se iskljuĉivo digitalna m odulacija svjetlosnog signala (zato se ova vrsta komunikacija naziva i digitalna komunikacija vidljivim svjetlom).
Proces modulacije vrši se u tri faze. Prvo signal koji treba prenijeti biva digitaliziran (u sluĉaju da je izvorno u analognom formatu kao n pr. zvuk). Digitalni signal tada biva kodiran kako bi se prilagodio mediju signala vala nosioca (u sluĉaju FSO i OW, vidljivom svjetlu). U trećem koraku signal nositelj oblikuje se na naĉin da se u njega „ugradi― kodirana digitalna informacija izvornog signala. Informacije poput zvuka ili slika prenose se izvorno medijem koji nije pogodan za prijenos
komunikacijskim kanalima visoke propusnosti poput onih korištenih u modernim komunikacijama, kao što su to optiĉka vlakana, RF prijenos ili VLC (Visible Light Communication). Modulacija sluţi upravo kako bi se traţena informacija pretvorila u signal pogodan za navedene digitalne komunikacijske kanale visoke propusnosti.
Digitalne modulacije opisuju se
pomoću dijagrama stanja odnosno konstelacijskim
dijagramom. Dijagram opisuje signal korištenjem dvodimenzionalnog ili trodimenzionalnog
toĉkastog grafa. U osnovi, dijagram stanja sluţi kako bi prikazao broj mogućih simbola koji se mogu dobiti korištenjem odreĊene modulacije. Mjerenjem dijagrama stanja moţe se odr editi izobliĉenje signala odnosno utjecaj smetnji. Naime, svaka toĉka na kompleksnoj ravnini grafa predstavlja jedan simbol, no zbog utjecaja smetnji i izobliĉenja, sama pozicija simbola na grafu nije strogo odreĊena, već se uz svaki simbol veţe razdioba vjerojatnosti (najĉešće normalna razdioba) 30
ĉija je srednja vrijednost oĉekivana pozicija simbola na dijagramu stanja. Uz same simbole, na dijagramu stanja moguće je i prikazati tranzicijski smjer simbola (prijelaz iz jednog u drugi simbol). Na dijagramu stanja, tranzicije se obiĉno prikazuju strjelicama.
Analizom dijagrama stanja moţe se odrediti nuţni razmak izmeĊu razina (npr. amplitude signala) dovoljan da ne dolazi do preklapanja razdioba vjerojatnosti pojavljivanja svakog zasebnog
simbola. Naime, u sluĉaju da se razdiobe preklapaju, to upućuje na ĉinjenicu da sustav ne moţe razlikovati izmeĊu simbola kod demodulacije te se pojavljuje greška pri prijemu. Dakle, kako bi komunikacijski sustav bio pouzdan, potrebno je provjeriti i smanjiti mogućnost preklapa nja razdioba pojedinih simbola, a to se vrši pomoću dijagrama stanja. Najjednostavniji dijagram stanja je prikaz OOK modulacije. S obzirom da se kod OOK modulacije izmjenjuju stanja amplitude, i to samo dva (pojava signala predstavlja binarnu jedinicu, izostanak binarnu nulu), modulacijski simboli nalaziti će se iskljuĉivo na realnoj osi. Slika 10
prikazuje dijagram stanja OOK modulacije. Na slici je oznaĉena razdioba simbola te osi kompleksne ravnine u kojoj se dijagram prikazuje.
Kao što je to ranije navedeno, postoje tri osnovne veliĉine korištene pri modulaciji. Svaka od tih veliĉina moţe biti kvalitetnije iskorištena upotrebom raznih metoda modulacije.
Slika 10. Prikaz dijagrama stanja OOK modulacije uz naznaĉenu razdiobu modulacijskih simbola
31
4.2.1.
OOK
Jedna od najosnovnijih metoda modulacije je OOK (On Off Keying) modulacija. OOK predstavlja najjednostavniji oblik ASK (Amplitude Shift Keying) metode modulacije. ASK modulacija provodi diskretne promjene u amplitudi signala. OOK dakle, kao primjer
najjednostavnije promjene amplitude predstavlja ukljuĉivanje i iskljuĉivanje signala u odreĊe nim intervalima. Osnovna prednost takve vrste modulacije je da pri prijenosu „nule― sustav štedi energiju jer se u komunikacijski kanal zapravo ne šalje nikakav signal. Ipak, stvar je malo kompliciranija. Kod osnovnog oblika OOK vrši se modulacija bez povr atka na nulu, odnosno NRZ (Non-Return to Zero). Glavna mana NRZ OOK modulacije je što ne ukljuĉuje takt signala. Taj se
nedostatak kompenzira raspršivanjem toka podataka kako bi se povećao broj tranzicija i poboljšao oporavak signala takta. Korištenjem NRZ -a što se brţe ukljuĉuje i iskljuĉuje svjetlosni signal pojedini bitovi imaju tim manje energije sadrţane u sebi, pa su stoga podloţniji slabljenju signala. Ova metoda modulacije koristi se za brzine prijenosa do 10 Gbit/s [25]. Ova metoda modulacije signala nosioca nudi dobru toleranciju na raspršivanje signala, no slabu toleranciju na šum te lošu iskoristivost, pa se stoga ne upotrebljava kod DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)
optiĉkih mreţa. Slika 11 prikazuje oblik niza podataka i dijagram st anja OOK modulacije korištenjem NRZ-a. Unutar dijagrama stanja prikazani su i smjerovi tranzicije izmeĊu simbola.
Slika 11. NRZ OOK modulacija signala nosioca i prikaz dijagra ma stanja sa tranzicijama modulacijskih simbola Izvor: Optical Modulation for High Bit Rate Transport Technologies; Ildefonso M. Polo; 2009
32
Druga vrsta OOK modulacije je RZ (Return to Zero), odnosno sa povratom na nulu. Kod ove vrste modulacije vrijednost signala pada na nulu na polovici bita, te tako poboljšava vaĊenje
signala takta. Sa ovakvom modulacijom niz binarnih jedinica prikazan je izmjeniĉnim signalom, pa je ukupna energija po simbolu manja od NRZ-a. slika 12 prikazuje OOK modulaciju korištenjem RZ-a.
Slika 12. RZ OOK modulacija signala nosioca i prikaz dijagrama stanja sa tranzicijama modulacijskih simbola Izvor: Optical Modulation for High Bit Rate Transport Technologies; Ildefonso M. Polo; 2009
4.2.2.
ASK
ASK (Amplitude Shift Keying) modulacija predstavlja varijaciju na OOK modulaciju. Kao i kod OOK, signal se modulira diskretnim promjenama amplitude. Za razliku od OOK, ASK
modulacija koristi dvije ili više razina amplitude razliĉitih od nule. Oĉita prednost ove metode je da se jednim modulacijskim simbolom moţe prenijeti više od jednog binarnog signala što povećava kapacitet prijenosa komunikacijskog kanala [26]. Broj razina signala oznaĉava se sa je pravilom razine (
. Pritom
, i definiran
oznaĉava broj bitova po modulacijskom simbolu. ASK sa ĉetiri
) koristi se kada je potrebno povećati propusnost ali istovremeno i zadrţati širinu
optiĉkog spektra. Kod optiĉkih komunikacija koriste se i ASK modulacije sa osam r azina. Kod ovako velikog broja razina potrebno je voditi raĉuna o ukupnom omjeru signal/šum i utjecaja smetnji na sam signal kako ne bi došlo do preklapanja modulacijskih simbola.
33
4.2.3.
BPSK
BPSK (Binary Phase Shift Keying) metoda modulacije mijenja vrijednost faze optiĉkog
signala nosioca (u najjednostavnijem sluĉaju izmeĊu poĉetne vrijednosti 0° i dijametralno suprotne vrijednosti 180°, odnosno izmeĊu 0 i
radijana). Korištenjem ove metode snaga signala biva
kvalitetnije rasporeĊena pošto je intenzitet zraĉenja jednak za binarnu jedinicu i za binarnu nulu. Binarni simboli modulirani su korištenjem razliĉite faze svijetlosti pa demodulacija signala traţi kompleksnije rješenje od jednostavne detekcije intenziteta signala kao što je to kod OOK modulacije. Na slici 13 prikazana je BPSK modulacija signala nosioca te dijagram stanja.
Slika 13. BPSK modulacija signala nosioca uz prikaz dijagrama stanja Izvor: Optical Modulation for High Bit Rate Transport Technologies; Ildefonso M. Polo; 2009
4.2.4.
DPSK
Varijacija na BPSK je DPSK (Differential Phase Shift Keying). Kod DPSK-a, PSK modulaciju vodi diferencijalni tok bitova pa su tako binarne nule predstavljene promjenom od 180°, a binarne jedinice izostankom promjene u fazi. Dakle, svaki puta kad se prenese binarna nula u signalu dolazi do promjene faze od 180°. Prednosti ove modulacije su pojednostavljenje
demodulacije i bolji odnos signal/šum, a osnovna mana je što koristi više energije u odnosu na BPSK.
Demodulacija se vrši rastavljanjem signala na dva jednaka djela, nakon ĉega se jedan od signala provodi kroz liniju kašnjenja. Naknadnim spajanjem ta dva signala dolazi do konstruktivne i destruktivne interferencije zbog razlika u fazi, pa se na izlazu demodulatora dobiva signal nalik na
OOK modulaciju. Obiĉno se kod demodulacije DPSK signala koristi Mach -Zehnder-ov Interferometar (MZI) sa kašnjenjem od jednog bita. Mach -Zehnder-ov Interferometar odreĊuje 34
meĊusobne razlike u fazi dviju kolimiranih zraka dobivenih iz istog izvora. DPSK modulacija ima takoĊer dvije varijante vrijedne spomena. Kao i kod OOK, razlikujemo NRZ DPSK i RZ DPSK modulaciju.
Vaţna karakteristika NRZ DPSK modulacije je da je optiĉka snaga signa la konstantna, ali se zato optiĉko polje izmjenjuje izmeĊu pozitivne jedinice (1) i negativne jedinice ( -1), odnosno dolazi do faznog pomaka izmeĊu 0 i , što znaĉi da je ukupno optiĉko polje jednako nuli [27]. Posljedica ovakve metode modulacije je izostanak komponente nosioca u ukupnom spektru. NRZ DPSK
modulacija relativno je podloţna kromatskoj disperziji i nelinearnom izobliĉenju signala. Kako bi se povećala otpornost komunikacijskih sustava na nelinearna izobliĉenja koristi se modulacija sa povratom na nulu, odnosno RZ DPSK (Return to Zero). Kao i kod NRZ DPSK modulacije, koristi se fazna promjena od 180°odnosno
radijana (izmeĊu 0 i ) izmeĊu bitova,
meĊutim duljina optiĉkih impulsa uţa je od duţine jednog bita pa optiĉka snaga opada na nulu prije tranzicije bita. Sama modulacija vrši se sliĉno kao i kod NRZ DPSK modulacije, odnosno prvi korak je upravo generiranje NRZ DPSK modulacije koja se naknadno dodatno modulira signalom takta toka podataka. RZ DPSK se katkad naziva i DPSK sa modulacijom intenziteta ili IM DPSK (Intensity Modulated DPSK) zbog dodatne modulacije intenziteta sinkroniziranom sa tokom podataka.
Kod RZ DPSK modulacije optiĉka snaga signala nije konstantna. Zbog uţeg optiĉkog impulsa u signalu nosiocu optiĉki spektar se proširuje, što ĉini RZ DPSK modulaciju znatno otporniju na kromatsku disperziju. 4.2.5.
QPSK
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) modulacija koristi sliĉan princip proširenja BPSK modulacije kao što ASK proširuje OOK. QPSK modulacija sluţi kao i svaka digitalna modulacija, kako bi se digitalna informacija prenosila kroz analogni komunikacijski kanal. Bitovi se grupiraju u parove, a svaki par predstavljen je posebnim modulacijskim simbolom [28]. Takva metoda modulacije zahtjeva poseban sim bol za svaku moguću kombinaciju para bitova. S obzirom da
postoji ĉetiri moguće kombinacije (00, 01, 10, 11) QPSK stvara ĉetiri razliĉita simbola pri modulaciji. Pri odašiljanju podataka simboli se odrţavaju konstantnima nad odreĊenim brojem izlaznih uzoraka, tzv. periodom simbola. Brzina prijenosa modulacijskog simbola izraţena je omjerom brzine prijenosa i perioda modulacijskog simbola. QPSK modulacija koristi sinusni i
kosinusni signal nosioc kako bi se omogućio prijenos dva odvojena signala podataka. Si nusni signal 35
naziva se fazni (in- phase) a kosinusni kvadraturni (quadrature) signal. Ovom metodom moguće je
prenijeti duplo više podataka od klasiĉne BPSK modulacije.
4.2.6.
DQPSK
DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) modulacija dijeli podatkovni niz na
dva zasebna toka podataka. svaki tok modulira se korištenjem DPSK modulacije, te se naknadno uvodi kašnjenje od 90°, odnosno
radijana. Ovako izmijenjeni tokovi podataka ponovo se spajaju u
jedan koji sadrţi ĉetiri razliĉite faze ( ,
,
,
). Ova metoda modulacije dakle omogućava
prijenos dva bita po svakom modulacijskom simbolu uz uţi optiĉki pojas. To donosi dodatne prednosti u odnosu na DPSK, kao npr. informacija je kodirana u promjenu faze, odnosno u prijelaz iz jednog modulacijskog simbola u drugi za razliku od ukupne vrijednosti faznog pomaka (PSK). Dakle, pri demodulaciji potrebno je samo odrediti promjene u fazi a ne ukupnu vrijednost faze. Bez obzira na to, ova metoda koristi znatno kompliciranije modulatore i demodulatore.
Uţi optiĉki spektar DQPSK modulacije dozvoljava veće raspršenje, bilo kromatsko ili polarizacijsko, te omogućava jaĉe optiĉko filtriranje što suţava razmake izmeĊu razliĉitih kanala. Slika 14 prikazuje DQPSK modulaciju signala i dijagram stanja.
Slika 14. BPSK modulacija signala nosioca uz prikaz dijagrama stanja Izvor: Optical Modulation for High Bit Rate Transport Technologies; Ildefonso M. Polo; 2009
PM-DQPSK (Polarisation Multiplexed Differential Quadrature Phase Shift Keying)
modulacija kombinira ĉetiri bita u jedan modulacijski simbol. Sliĉno kao i DQPSK, kod PM DQPSK modulacije signal se dijeli u dva podatkovna toka. Svaki tok modulira se DQPSK modulacijom, te se nakon toga svaki pod signal polarizira u meĊusobno okomitim polarizacijskim
ravninama. Nakon polarizacije signali se miješaju u konaĉni modulirani signal nosioc. Takav je 36
signal moduliran i amplitudom i optiĉkom fazom, a odašilje se u dva razliĉita polarizacijska stanja, pa je stoga podloţan polarizacijskom raspršenju. U optiĉkim mreţama PM -DQPSK koristi se za prijenos podataka do 100 Gbit/s. DP-QPSK (Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying) modulacija predstavlja
proširenje na QPSK modulaciju. QPSK predstavlja proširenje PSK modulacije utoliko što kod ove metode modulacije jedan modulacijski simbol sadrţi dva bita (za razliku od PSK modulacije kod koje svaki modulacijski simbol sadrţi samo jedan bit). Kod DP -QPSK modulacije jedan modulacijski simbol sadrţi ĉetiri bita, dakle duplo više od QPSK modulacije. Oĉita prednost je da
elektroniĉki upravljaĉki ureĊaji mogu zapravo raditi ĉetiri puta sporije od samog takta signala prijenosa podataka, što sustav u cijelosti ĉini jeftinijim s obzirom da ova metoda omogućava korištenje CMOS tehnologije kod obrade signala. Glavna metoda proširivanja kapaciteta modulacijskog simbola kod DP-QPSK modulacije je korištenje dva izvora zraĉenja, pri ĉemu su
polarizacije zraĉene svjetlosti meĊusobno okomite (jedna zraka koristi horizontalnu polarizaciju a druga vertikalnu) [29]. Svaka zraka je modulirana QPSK modulacijom.
37
Slika 15. Simulirani dijagram oka za NRZ i ODB modulaciju za optiĉke putove duljine 120 i 240 km Izvor: Dispersion-Tolerant Optical Transmission Using Duobinary Modulation; http://www.vpiphotonics.com/App_ModFormat_NRZDB.php; 26. 2. 2013
38
4.2.7.
ODB
ODB (Optical Dual Binary, Duobinary Optical) modulacija izrazito je otporna na raspršenje a uz to je i relativno jednostavno primjenjiva [30]. ODB pruţa kvalitetnu zamjenu u odnosu na NRZ
modulacije koje su znatno podloţnije raspršenu kroz komunikacijski kanal. Modulacijski signal dobiva se dodavanjem podataka sa kašnjenjem od jednog bita ukupnom podatkovnom nizu [31]. Tom metodom stvar aju se tri razine signala nosioca koje se obiĉno oznaĉavaju sa 0, 1 i 2. Isti
rezultat moguće je postići dodavanjem nisko propusnog filtra izvornom binarnom signalu. ODB modulacija postiţe se maksimalnim opterećenjem Mach -Zehndner-ovog modulatora elektriĉnim kodiranim signalom. Na takav naĉin postiţu se razine 0 i 2 koje imaju potpuno suprotne optiĉke faze i razina 1 koja se prenosi izravno. Ovakav meĊuovisni signal sa tri razine demodulira se izravnom optiĉkom detekcijom signala na prijemniku. Kao što je to prethodno napomenuto, signal moduliran ODB modulacijom ima uţi spektralni pojas u odnosu na NRZ metode modulacije, što dozvoljava veći domet kao što je to prikazano dijagramom oka na slici 15.
4.2.8.
PPM
PPM (Pulse Position Modulation) modulacija zapravo pr edstavlja digitalnu verziju širinsko impulsne modulacije. Kod PPM modulacije, modulacijski simboli kodirani su promjenom pozicije
impulsa u vremenu u odnosu na ne modulirano vrijeme pojavljivanja impulsa. PPM je popriliĉno neefikasna modulacija što se tiĉe snage signala i iskoristivosti spektralnog pojasa, pa se stoga ĉešće koristi malo izmijenjena varijanta PPM modulacije, DPPM (Differential Pulse Position Modulation) modulacija. U PPM modulaciji blok od
ulaznih bitova preslikava se na jedan od
valnih oblika [32]. Pritom svaki valni oblik sadrţi jedan aktivan („ On“) i ( dijelova. Impuls
jedinstvenih
) pasivnih („Off“)
prenosi se tokom aktivnog dijela.
DPPM modulacijski simbol dobiva se iz pripadajućeg PP M modulacijskog simbola brisanjem svih pasivnih dijelova koji slijede odmah nakon aktivnog dijela u valnom obliku signala. -ti DPPM skup simbola
(pri korištenju pravokutnih impulsa) izraţene je preko jednakosti
(25):
39
(25)
predstavlja vršnu vrijednost snage signala modulacije a
duljinu trajanja aktivnog ili
pasivnog djela valnog oblika signala. DPPM, za razliku od PPM modulacije ne traţi sinkronizaciju simbola, uz to DPPM ima već spomenutu veću iskoristivost u donosu na obiĉnu PPM modulaciju.
4.3.
Multipleksiranje komunikacijskih kanala
Multipleksiranje je postupak kojim se više podatkovnih tokova spaja u jedan komunikacijski signal za prijenos kroz medij od kojeg je saĉinjen komunikacijski kanal. Osnovna zamisao multipleksiranja je iskorištavanje jednog komunikacijskog kanala za prijenos većeg broja podatkovnih tokova istovremeno kako bi se povećala propusnost komunikacijskog kanala i iskoristivost medija prijenosa podataka. Kao i pri modulaciji, i kod multipleksiranja se iskorištavaju
svojstva medija kojim se prenose podaci. Od metoda multipleksiranja korištenih u optiĉkim komunikacijama potrebno je spomenuti TDM (Time Domain Multiplexing), PDM (Polarization Division Multiplexing), SDM (Space Division Multiplexing), WDM (Wavelength Division Multiplexing), CDM (Code Division Multiplexing) i OAM (Orbital Angular Momentum
Multiplexing) koji je još tema istraţivanja. TDM (Time Domain Multiplexing) predstavlja jednu od najjednostavnijih metoda multipleksiranja digitalnog signala. Kod TDM-a, dva ili više toka podataka prenose se (prividno) istovremeno kao pod kanali unutar jednog komunikacijskog kanala [33]. U stvarnosti, kanali
prenose naizmjeniĉno tako što svaki kanal ima odreĊeni vremenski prozo r u kojemu prenosi podatke. Vremenski prozor je fiksnog trajanja. Blok podataka prvog pod kanala prenosi u prvom vremenskom prozoru, blok podataka drugog pod kanala prenosi se u drugom vremenskom prozoru,
blok podataka trećeg u trećem itd. dokle se ne pren esu svi blokovi jedne serije prijenosa i postupak poĉne iznova. Jedan TDM okvir sastavljen je od jednog vremenskog prozora po optiĉkom kanalu uz
dodatak sinkronizacijskog kanala i u nekim sluĉajevima kanala za provjeru ispravnosti podataka (error correction). Na slici 16 prikazana je blok shema TDM metode multipleksiranja. 40
PDM (Phase Division Multiplexing) metoda multipleksiranja zasnovana je na svojstvu polarizacije elektromagnetskog vala. Prema konvenciji, polarizaciju elektromagnetskog vala
odreĊuje smjer vektora elektriĉnog polja unutar jedne periode oscilacije. Dakle polarizirajući jedan signal okomitom polarizacijom s obzirom na drugi moguće je kroz isti komunikacijski kanal provesti istovremeno minimalno dva modulirana toka podataka. Tu stoji i osnovna prednost nad
metodom multipleksiranja kao što je TDM. PDM za razliku od TDM -a moţe paralelno, potpuno istovremeno prenositi dva razliĉita toka podataka.
Slika 16. Blok shema TDM metode multipleksiranja
U optiĉkim komunikacijskim mreţama implementacija PDM -a ne traţi velike nadograde komunikacijsk og sustava. Dovoljno je zamijeniti multiplekser/demultiplekser i dodati još po jedan primopredajni element na svaki kraj komunikacijskog kanala [34].
Jedan od najvećih problema vezanih uz PDM je gubitak signala u ovisnosti o polarizaciji, odnosno PDL (Polarization Dependant Loss). PDL predstavlja vrlo veliku prepreku u razvoju PDM
prijenosa za brzine veće od 100 Gbit/s [35]. Kod sustava prijenosa podataka korištenjem samo jedne polarizacije PDL uzrokuje promjene u snazi optiĉkog signala vezane uz promjene stanja polarizacije samog signala. SDM (Space Division Multiplexing) metoda multipleksiranja jednostavno predstavlja
prijenos pojedinih tokova podataka kroz prostorno (fiziĉki) razmaknute kanale. Ova vrsta multipleksiranja poznada je i pod nazivom SDMA (Space Division Multiple Access). SDM predstavlja objektivno najjednostavniju izvedbu multipleksiranja podatkovnih tokova.
Kako SDM traţi fiziĉki odvojene kanale za prijenos podataka, implementacija ovakvog komunikacijskog sustava moţe potencijalno biti skuplja. U komunikacijama putem optiĉkih vlakana dokazani su veliki kapaciteti prijenosa preko vrlo velikih udaljenosti (uz uporabu 41
trojezgrenih vlakana) [36]. S obzirom na ĉinjenicu da su multipleks kanali fiziĉki odvojeni, moguće je SDM metodu multipleksiranja povezati sa nekom drugom metodom kako bi se ostvario dvojni
uĉinak (npr. svaki SDM kanal moţe se dodatno multipleksirati WDM ili TDM metodom multipleksiranja). WDM (Wavelenght Division Multipleksing) metoda multipleksiranja izvodi se spajanjem pojedinih tokova podataka moduliranih razliĉitim valnim duljinama. Osnovni koncept svodi se na spajanje valnih duljina prizmom. WDM u osnovi predstavlja FDM (Frequency division
Multiplexing), no kako se taj izraz općenito veţe uz RF komunikacije ĉešće se upotreblaj va navedeni WDM ili OFDM (Optical FDM). Pri upadu zrake na prizmu, dolazi do refrakcije, odnosno
lomljenja zrake pod odreĊenim kutom, uzrokovano prijelazom svijetla iz jednog materijala u drugi. Zakon refrakcije izraţen je jednadţbom ( 26).
(26)
Iz jednadţbe ( 26) vidljivo je da je kut loma upadne zrake materijala iz kojeg zraka upada i materijala u kojeg zraka upada, te kuta
ovisan o indeksima loma pod kojim ona upada na
granicu materijala. Kut loma svijetlosti takoĊer je ovisan i o omjeru brzina svijetlosti u materijalima
na ĉijoj se granici refrakcija promatra. Kako je brzina svijetlosti u nekom materijalu ovisna o valnoj duljini, kut loma biti će ovisan i o valnoj duljini
upadne zrake. Ako se upadni kutovi zraka
razliĉitih valnih duljina paţljivo podese, moguće je zrake razliĉitih valnih duljina spojiti u jednu svjetlosnu zraku koja se tada moţe prenijeti optiĉkim kanalom. Dakle, tako multipleksirani signal provodi se kroz optiĉku nit do demultiple ksera, koji je takoĊer u osnovi prizma koja, koristeći isti princip refrakcije, rastavlja multipleksiranu zraku na sastavne spektralne komponente. Zrake razliĉitih valnih duljina se potom šalju na razliĉite prijemnike za razliĉite prijenosne kanale. Ovisno o koliĉini razliĉitih valnih duljina koje se istovremeno prenose kroz optiĉki komunikacijski kanal razlikujemo rijetko multipleksiranje valnih duljina ili CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) i gusto multipleksiranje valnih duljina ili DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing).
42
CWDM se obiĉno primjenjuje korištenjem do osam valnih duljina sa razmjerno velikim meĊusobnim razmakom (uobiĉajeni razmak izmeĊu valnih duljina kod CWDM je otprilike 20 nm). DWDM koristi znatno uţe razmake izmeĊu pojedinih valnih duljina (najĉešće 0.8 nm, 0.4 nm, ili 0.2 nm) te stoga moţe koristiti puno veći broj razliĉitih valnih duljina, obiĉno 40 ili 80, a u odreĊenim sluĉajevima i do 160 [37]. S obzirom na traţenu preciznost odašiljanih valnih duljina kod DWDM metode multipleksiranja potrebno je koristiti vrlo precizne monokromatske izvore.
Najĉešći naĉin izrade takvih izvora je uporaba predajnika sa širim spektrom, koji se nakon modulacije filtrira etalonskim Fabry-Pérot interferometrom. Osnovni kapacitet WDM multipleksiranog kanala iznosi 10 Gbit/s, no s obzirom na
kapacitet modernih DWDM komunikacijskih sustava, moguće je postići prijenose i do 1.6 Tbps. Blok dijagram WDM multipleksiranja prikazan je na slici 17.
Slika 17. Blok dijagram WDM metode multipleksiranja
Još jedan oblik WDM metode multipleksiranja je O WDM (Orthogonal Wavelength Division Multiplexing). Kod OWDM-a odreĊeni broj meĊusobno bliskih okomitih sub nosioca signala
smještenih na paralelnim kanalima. Svaki sub nosioc moduliran je nekom od mogućih metoda modulacije. Optiĉki okomiti kod je porodica binarnih nizova koji posjeduju dobra autokorelacijska i meĊukorelacijska svojstva [38]. U osnovi dakle, OWDM metodom multipleksiranja prenosi se serijski podatkovni niz velike brzine prijenosa kanalom kojega se dijeli na blokove podataka. Uporabom Fourierove transformacije podaci se kodiraju na odvojene sub nosioce unutar frekvencijskog spektra [39].
43
OWDM je stoga vrlo kvalitetna metoda multipleksiranja prikladna za velike brzine obrade
podataka pošto omogućava paralelnu obradu a glavna komponenta prijemnik a je FFT modul koji je relativno jednostavno implementirati korištenjem digitalnih komponenti. Uzmemo li u obzir optiĉki prijenosni sustav u kojemu se signali upotrebljavaju za oblikovanje vremenskog kvadratnog impulsa trajanja , uz spektar sinkronog oblika u kojemu su nul-toĉke meĊusobno udaljene
, ispravno okomito (ortogonalno) usmjerenje WDM kanala
postiţe se samo ako razmak izmeĊu kanala iznosi toĉno
[40]. Uvjet okomitosti valnih duljina
smanjuje razinu preslušavanja pri središnjoj valnoj duljini svakog kanala. Uporabom preciznog detekcijskog filtra u središtu DWDM kanala pri prijemu, moguće je smanjiti utjecaj linearnog preslušavanja na zanemarive razine. Dvije funkcije
i
zadovoljavaju uvjet okomitosti ako
za njih vrijedi izraz (27).
(27)
Iz ovog izraza proizlazi i ograniĉenje u meĊusobnoj udaljenosti izmeĊu komunikacijskih kanala. Uzmu li se u obzir jednako meĊusobno udaljene valne duljine odabrane oko proizvoljne središnje valne duljine
, izraz
(28)
predstavlja ne moduliranu envelopu (vremenski kvadratni impuls) u kompleksnoj ravnini za
središnju valnu duljinu
.
predstavlja signal na valnoj duljini valne duljine
, te je izraţen preko ( 29).
44
udaljenoj
radijana po sekundi od osnovne
(29)
S obzirom da okomitost signala vrijedi samo za specifiĉne intervale valnih duljina, uvrštavanjem izraza (2 9) i (27) u izraz za okomitost dvaju signala (25), dobivamo odnos (30).
(30)
samo ako je razmak izmeĊu kanala namještena na je
pri ĉemu
cijeli broj. Dakle, okomitost kanala zajamĉena je iskljuĉivo ako odvojenost kanala
pod (31)) iznosi
puta obrnuto proporcionalna duljina trajanja impulsa
(izraţena
.
(31)
Spektralna efikasnost ove metode multipleksiranja postiţe se za najniţu vrijednost
,
što daje ukupnu spektralnu efikasnost od 1 bit/sek/Hz. CDM (Code Division Multiplexing) metoda multipleksiranja, poznata i ako CDMA (Code Division Multiple Acces) je metoda kod koje svaki kanal prenosi bitovni tok u kodiranom obliku
specifiĉnom za svaki kanal. Uobiĉajeno je da taj kodirani prijenos prati jedinstveni niz kratkih impulsa postavljenih u vrmenske prozore unutar glavnog signala takta. Svaki kanal kodiran je
posebnim kodom, te se stoga mogu prenositi istim optiĉkim komunikacijskim kanalom kojeg je moguće demultipleksirati asinkronim metodama. Zbog naĉina rada CDM se ĉesto primjenjuje u beţiĉnim mobilnim komunikacijama. Osnovni princip CDM multipleksiranja je korištenje raširenog spektra ( spread-spectrum) koje omogućava tri osnovna svojstva komunikacijskog kanala [41]. OCDM (Optical Code Division Multiplexing) predstavlja varijantu CDM k orištenu u
optiĉkim komunikacijama. U tablici 4 prikazana je usporedba beţiĉnog CDM i OCDM. 45
Tablica 4. Usporedba beţinog CDM i OCDM Izvor: Optical Code Division Multiplexing (OCDM) nad Its Application to Photonic Networks; Kenichi Kitayama, Hideyuki Sotobayashi, Naoya Wada; 1999
Bežični CDM Nositelj
Mikro i milimetarski val, ograniĉena
OCDM
Vidljiva svijetlost (400 do 700 nm)
dostupnost Domena prostiranja
Frekvencijska domena
Vremenska domena
Izravni SS (Spread Spectrum) niz,
Izravni SS niz,
Preskakanje frekvencija
Preskakanje valnih duljina
RF domena
Optiĉka domena (bez optoelektiĉne
signala Kod
Kodiranje/dekodiranje
pretvorbe) Kapacitet
Ograniĉen smetnjama
Ograniĉen smetnjama
Prijenosni medij
Slobodan prostor
Optiĉko vlakno, slobodan prostor
Potiskivanje smetnji
Antena sa više sektora, korištenje
Nedefinirano
višestrukih smjerova zraĉenja, kontrola snage Problemi propagacije
Višestruki putovi propagacije
Raspršenje, nelinearnost, interferometarski uĉinak
Implementacija OCDM-a povlaĉi sliĉnosti sa beţiĉnim CDM multipleksiranjem. Za razliku od CDM-a u kojem se koristi RF proširivanje spektra, OCDM koristi vremensko proširivanje [42]. S obzirom da svjetlosni impuls ima znatno veći frekvencijski spektar u odnosu na frekvenciju
podatkovnog toka, proširuje se na trajanje
unutar jednog bita putem korištene metode kodiranja.
Prijemnik dekodira signal suţavajući ga u uski svjetlosni impuls samo ako kodovi izmeĊu enkoder a i dekodera odgovaraju meĊusobno. Kodovi koji ne odgovaraju ostaju raspršeni unutar intervala . 46
OAM (Orbital Angular Momentum Multiplexing) metoda modulacije koristi svojstvo
orbitalnog kutnog momenta elektromagnetskog zraĉenja kako bi razli kovala okomite (ortogonalne) komunikacijske signale.
Orbitalni kutni moment je komponenta kutnog momenta elektromagnetskog zraĉenja (ili u konkretnom sluĉaju optiĉkih komunikacija, svjetlosne zrake) ovisna od prostornoj razdiobi elektromagnetskog polja a ne o njegovoj polarizaciji. Razmatrane mogućnosti OAM multipleksa zasnovane su na svojstvima Laguerre-Gausove i Besselove zrake [43][44]. Besselova zraka opisana je ranije u ovome radu. Laguerre-Gausova zraka predstavlja jedno od mogućih rješenja paraksija lne
valne jednadţbe, toĉnije, to je rješenje cilindriĉno -simetriĉnog problema. Laguerre -Gausova zraka opisana je u cilindriĉnim koordinatama pomoću Laguerrovih polinoma, pritom red polinoma odreĊuje modalitet zrake. Kod praktiĉne upotrebe OAM postoje još uvijek znatni nedostaci koji ograniĉavaju primjenjivost ove metode multipleksiranja, npr. velika divergencija rake kod modaliteta viših redova. Unatoĉ tome, velika prednost OAM metode multipleksiranja je što u osnovi dozvoljava proizvoljan broj multipleksiranih komunikacijskih kanala unutar jednog osnovnog signala nosioca.
Orbitalni kutni moment moţe se podijeliti na dva dodatna parametra, odnosno na unutarnji orbitalni kutni moment i vanjski orbitalni kutni moment. Unutarnji orbitalni kutni moment neovisan
je o izvoru a fazna valna fronta na koju se nadovezuje spiralnog je oblika. Otkriće da zrake sa spiralnom faznom frontom imaju orbitalni kutni moment omogućilo je primjene takvih zraka u kvantnim informacijskim sustavima i sustavima za optiĉku manipulacij u, a u zadnje vrijeme razvila se i zamisao uporabe svjetlosnih zraka sa ovim svojstvima u komunikacijskim tehnologijama [45].
Ipak, do konkretne primjena ove metode modulacije trebati će još malo priĉekati s obzirom na slabu razvijenost tehnologije koju ona upotrebljava.
4.4.
Kodovi i protokoli
Kako bi se niz binarnih podataka mogao modulirati, prije svega potrebno je informaciju pretvoriti u niz binarnih podataka. Takvo pretvaranje podataka naziva se kodiranje. Kodiranje se
moţe vršiti izravno pri analogno digitalnoj pretvorbi ili naknadno. Postoji velik broj razliĉitih komunikacijskih kodova osmišljenih za razliĉite primjene, npr. kodovi korišteni za CDMA koriste 47
se za osiguravanje privatnosti pristupa mreţi većeg broja korisnika kroz isti komunikacijski kana l a da pri tome ne dolazi do preslušavanja. Koji će kod biti primijenjen ovisi o komunikacijskoj tehnologiji. Postoje kodovi koji su podloţniji smetnjama ali se jednostavno implementiraju, a postoje i zaštitni kodovi koji su znatno otporniji na smetnje ali se zato znatnije teţe primjenjuju. U optiĉkim komunikacijama koriste se
razliĉiti kodovi a u nastavku će biti spomenuti neki od ĉešće primjenjivanih klasa kodova. BCH (Bose Ray-Chadguri) je skupina kodova sa cikliĉnim ispravljanjem greške zasnovana na konaĉnim poljima (matematiĉko polje sa konaĉnim brojem elemenata). Preciznije definirano,
BCH kod je svaki cikliĉki kod na Galois -ovim poljem saĉinjenim od konaĉnog broja elemenata polja
(abeceda kodiranih simbola)
koji su definirani sa
matricom nad
(abeceda dekodiranih simbola) prikazanom pod (32) [46].
(32)
Pritom,
je element -tog reda Galois-ovog polja
nula i manji od , a
je cijeli broj veći od
trivijalnim sluĉajevima). Redovi matrice
i manji od
,
je bilo koji cijeli broj veći od
(pritom se
predstavljaju prvih
i
smatraju
potencija uzastopnih potencija od
.
Postoje dva posebna sluĉaja BCH koda, primitivni i kod u uskom smislu (narrow -sense) BCH kod naziva se primitivnim ako je definiran preko primitivnog elementa Galois-ovog polja
. Ako je element
definiran je kao primitivan, tada duljina bloka koda iznosi
što predstavlja najveću moguću duljinu bloka koda za abecedu dekodiranja BCH kod u uskom smislu je sluĉaj u kojemu je
.
. U tom se sluĉaju neki izrazi kod
dekodiranja znatno pojednostavljuju. Ipak ĉešće se koriste BCH kodovi u kojima
48
,
. Matrica za
provjeru parnosti primitivnog BCH koda uskog smisla sa ispravkom greške stupnja izraţena je u (33).
(33)
Pri ĉemu je
,a
predstavlja -ti korijen jedinke u
. Svaki redak matrice
je matrica Fourierove transformacije konaĉnog polja i veliĉine . Kodne rijeĉi su -torke ĉiji spektar sadrţi nule na svakoj
frekvenciji.
RS (Reed-Solomon) skupina kodova predstavlja podskupinu BCH kodova. To su u osnovi BCH kodovi kod kojih je abeceda dekodera jednaka abecedi kanala.
RS kodovi su nebinarni cikliĉni k odovi sa
- bitnim nizovima, pri ĉemu
pozitivni cijeli broj veći od [47]. RS kod sa parametrima
(duljina bloka) i
predstavlja
(duljina poruke)
bitnih simbola postoji ako je zadovoljen uvjet (34).
(34)
RS kodovi imaju najveću moguću minimalnu kodnu udaljenost u odnosu na ostale linearne kodove sa jednakim duljinama bloka. Kod nebinarnih kodova udaljenost izmeĊu dvije kodne rijeĉi definirana je prema Hammingovoj udaljenosti kao broj simbola po kojemu se nizovi meĊusobno
razlikuju. Minimalna udaljenst izmeĊu simbola za RS kodove dana je izrazom ( 35).
(35)
49
-
RS kod u stanju je ispraviti bilo koju kombinaciju od
ili manje pogrešaka, pri ĉemu je
izraţen preko jednadţbe ( 36).
(36)
Iz jednadţbe je vidljivo da je za ispravak simbola. Jednostavnije reĉeno, dekoder ima
pogrešnih simbola dovoljno
paritetnih
redundantnih simbola, što je dvostruko više od
ukupnog broja ispravljivih pogrešaka. Za svaku grešku jedan se redundantni simbol koristi za pronalazak greške a drugi za pronalazak ispravne vrijednosti. Sposobnost brisanja -ispravljanja koda izraţena je sa ( 37).
(37)
Sposobnost istovremenog ispravljanja pogrešaka i ispravljanja brisanja izraţena je preko (38), pri ĉemu je
broj uzoraka simbola- pogrešaka koje je moguće ispraviti, a
broj uzoraka
izbrisanih simbola koje je moguće vra titi/ispraviti.
(38)
Svaki linearni kod u stanju je ispraviti (
uzoraka izbrisanih simbola ako se svaki
)-ti izbrisani simbol pojavljuje na paritetnom simbolu. RS kodovi meĊutim imaju svojstvo
ispravljanja bilo kojeg
simbola unutar bloka
LDPC (Low Density Parity Check) predstavljaju klasu linearnih blokovskih kodova [48].
Osnovno svojstvo ovih kodova je da omogućuju performanse koje iskorištavaju velik broj razliĉitih kanala, te koriste kompleksne vremenski linearne algoritme dekodiranja. TakoĊer, vrlo su podobni 50
u sluĉajevima korištenja paralelizma. LDPC kodovi mogu biti korišteni vrlo blizu Shannonove granice (maksimalna brzina prijenosa kodiranih informacija zadanim komunikacijskim kanalom, za definiranu razinu smetnji) promatranog komunikacijskog kanala iskljuĉivo za velike duţine
informacijskih blokova. Veća duljina informacijskog bloka povlaĉi veću provjeru pariteta i veću generatorsku matricu.
LDPC kodovi prikazuju se grafiĉki i pomoću matrica. Kod binarnog koda, matrica dimenzija
opisana je pomoću dva parametra.
opisuje broj jedinica po retku, a
broj
jedinica po stupcu. Ovakvu matricu nazivamo matricom male gustoće ako zadovoljava uvjet i
.
Grafiĉki prikaz LDPC koda naziva se još i Tannerov graf. Tannerov graf u potpunosti opisuje sam kod, ali i algoritam dekodiranja. Ovaj graf spada pod bipartitne grafove, dakle svaki
ĉvor grafa grana se na dva djela i spaja na dva ĉvora razliĉite vrste, odnosno varijabilni ĉvorovi i ĉvorovi za provjeru (check nodes). LDPC kod smatra se pravilnim ako je
konstantan za svaki stupac, te je pri tome
takoĊer konstantna vrijednost za svaki redak. GLDPC (Generalized Low Density Parity Check) predstavlja poboljšanje LDPC koda time
što GLDPC kodovi nastoje dodatno smanjiti Shannonovu granicu uz sveukupno poboljšanje LDPC kodova. Ove kodove odlikuje, izmeĊu ostalog, niska kompleksnost dekodiranja [49]. Dekodiranje GDLPC kodova zasnovano je na kombinaciji jednostavnog i brzog SISO (SoftIn-Soft-Out) dekodiranja kratkih linearnih blokova koda (poput BCH kodova). Izgradnja GDLPC
koda vrši se zamjenom svake jednadţbe za provjeru parnosti globalnog LDPC koda matricom provjere parnosti jednostavnog linearnog blokovskog koda (lokalni kod). Kod lokalnih kodova male duljine koristi se BCJR (Bahl – Cocke – Jelinek – Raviv) algoritam ili verzija istog algoritma sa
manjom kompleksnošću zvanog Max -Log-MAP. Vremenski efikasni MAP algoritmi dekodiranja osnovani na lokalnim kodovima pruţaju precizne procjene varijabilnih ĉvorova globalnih LDPC grafova nakon vrlo malog broja iteracija (obiĉno manje od deset). Dakle, niska razina kompleksnosti kodiranja te posebice dekodiranja ĉini FEC (Forward Error C orrection) sheme osnovane na GLDPC kodovima vrlo privlaĉnima za uporabu u optiĉkim komunikacijama sa velikim brzinama prijenosa.
51
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection) je protokol odnosno
algoritam koji u Ethernet mreţama omogućava pristup više od jednog ĉvora LAN mreţe istovremeno [50]. CDMA/CD koristi slijedeće mehanizme pri implementaciji:
Adapter moţe zapoĉeti odašiljanje u bilo kojem trenutku
Adapter ne odašilje podatkovni okvir (frame) ako neki drugi adapter u tom istom trenutku odašilje podatkovni okvir
Adapter prekida odašiljanje kada otkrije da drugi adapter odašilje (collision detection)
Prije nego li što pokuša ponovo odaslati signal, adapter ĉeka nasumiĉno odreĊeni vremenski interval (obiĉno manji od vremenskog interval a prijenosa podatkovnog okvira)
U sluĉaju da je propagacijsko kašnjenje izmeĊu stanica jako malo, iskoristivost CSMA/CD protokola moţe se pribliţiti 100%. Svaki adapter koristi CDMA/CD protokol bez meĊusobne koordinacije. Za svaki adapter protokol djeluje na sljedeći naĉin: 1. Adapter dobiva PDU mreţnog sloja od osnovnog ĉvora (parental node), zatim
priprema Ethernet podatkovni okvir i postavlja isti u meĊuspremnik (buffer). 2. Ako adapter odredi da u komunikacijskom kanalu nema drugog prometa (nema signala na ulaznom kanalu), zapoĉinje odašiljanje podatkovnog okvira. Ako pak
adapter otkrije da je komunikacijski kanal zauzet, ĉekati će dokle se signal ne prestane emitirati i tek tada šalje podatkovni okvir. 3. Pri prijenosu adapter provjerava energiju signala koje emitiraju ostali umreţeni
adapteri. Ako adapter pošalje cijeli podatkovni okvir bez da pritom pronaĊe signal sa drugih adaptera, to znaĉi da je završio prijenos okvira. 4. Ako tokom odašiljanja podatkovnog okvira adapter otkrije signal iz drugih adaptera, staje sa odašiljanjem okvira te umjesto njega odašilje 48 bitni (6 bajta) prekidni signal (jam signal). 5. Nakon prekida i odašiljanja prigušivaĉkog signala adapter zapoĉinje eksponencijalnu fazu povrata (exponential backoff phase - algotiram koji koristi povratnu vezu kako
bi multiplikativno smanjio trajanje procesa.). Toĉnije, pri prijenosu odreĊenog podatkovnog okvira, nakon -tog sudara za redom istog podatkovnog okvira adapter
odabire nasumiĉnu vrijednost
iz skupa 52
. Pritom je
. Nakon d+odreĊivanja, adapter ĉeka
vremena potrebnog
da se prenese jedan bit podataka (bit time), te se vraća na korak . Svrha odašiljanja prekidnog signala je obavještavanje ostalih adaptera koji trenutno odaš ilju o sudaru podatkovnih okvira. Svi ĉvorovi mreţe kod CSMA/CD protokola imaju jednaki prioritet G.709 (Interfaces for the Optical Transport Network (OTN)) predstavlja komunikacijski
protokol za komunikaciju putem optiĉkih mreţa. U osnovi to je suĉelje z a OTN (Optical Transport Network). G.709 je standardizirana metoda prijenosa korištenjem valnih duljina elektromagnetskog zraĉenja unutar optiĉkog spektra. ITU G.709 standard osnovan je na ITU G.872 (Architecture of optical transport networks) standardu. Postoje tri osnovne zadaće koje ovaj standard ispunjava [51]: 1. Definiranje optiĉke prijenosne hijerarhije OTN -a 2. Definiranje funkcionalnosti njegove dodatne podrške za optiĉke mreţe koje koriste
više valnih duljina. 3. OdreĊuje strukturu podatkovnih okvira, brz ine prijenosa i propusnosti te formate za mapiranje signala klijenta.
OTN kojeg definira G.709 standard sastavljen je od osnovnih odnosno kritiĉnih komponenti, završnih toĉki i naĉina na koji te komponente meĊusobno komuniciraju. Te sastavne komponente su:
OTS (Optical Transport Section)
OMS (Optical Multiplex Section)
OCh (Optical Channel)
OTU (Optical Transport Unit)
ODU (Optical Dana Unit)
OPU (Optical Channel Payload Unit)
Završetak OTS, OMS i OCh slojeva izveden je na optiĉkoj razini OTN -a. na kraju OTU-a mogu se dodati daljnje funkcije, pošto je to digitalni sloj. Jedno od osnovnih razloga zbog kojih se koristi G.709 je FEC (Forward Error Correction). U standardu se koristi RS kod kako bi se redundantne informacije vezale uz preneseni signal. Prijemno suĉelje koristi dodatne informacije kako bi odredilo i ispravilo greške nastale pri prijenosu. 53
ITU G.709 FEC rastavlja podatkovni okvir na 16 podatkovnih tokova. Po podatkovnom
toku, moguće je ispraviti do 8 pogrešnih bajtova. Pritom se svaki redak rastav lja na pod retke. Protokol koristi OB (Overhead Byte) i 238 podatkovna bajta pri proraĉunu 16 paritetnih bitova od kojih se tada sastavlja 255 blokova bajtova [52].
Od protokola vezanih uz FEC DWDM sustava potrebno je još spomenuti i ITU G.975 (Forward error correction for submarine systems) i ITU G.975.1 (Forward error correction for high bit-rate DWDM submarine systems) protokole.
4.5.
LED – Light Emitting Diode
LED (Light Emitting Diode) je poluvodiĉka komponenta koja pomoću fizikalnog svojstva elektroluminiscencije (za razliku od termiĉki pobuĊenog zraĉenja odnosno ţarenja) zraĉi svijetlost u vidljivom (400 – 700 nm), infracrvenom i ultraljubiĉastom podruĉju. Svjetleća dioda koristi, kao i
svaka dioda, PN spoj poluvodiĉa, što ju ĉini polarnim poluvodiĉkim ureĊajem. P tip poluvodiĉa obogaćen je primjesama koje ga ĉine preteţito pozitivnim (sadrţi tzv. šupljine koje su pozitivno nabijene) dok je N tip poluvodiĉa obogaćen primjesama koje ga ĉine preteţito negativnim (sadrţi višak elektrona). Kao i kod svake diode, struja teĉe samo u jednome smjeru. IzmeĊu P i N tipa poluvodiĉa
nalazi se osiromašeni sloj [53]. Kod nepropusno polarizirane diode, osiromašeni sloj se povećava te struja ne teĉe. Energija elektrona je kvantizirana, odnosno postoje samo toĉno odreĊe ne energetske razine na kojima se elektroni mogu nalaziti. Kada se elektroni nalaze unutar nekakvog sustava sa
većim brojem atoma, svaki elektron mora biti na drugoj razini. Stoga se elektroni unutar takvog većeg sustava organiziraju u energetske pojaseve meĊusobno razdvojene zabranjenim pojasevima. Pojas sa nevezanim elektronima zove se vodljivi pojas a pojas sa elektronima vezanim za atome
strukture poluvodiĉa valentni pojas. Pri prijelazu elektrona iz valentnog u vodljivi pojas stvara se par šupljina-elektron (proces generacije para). U suprotnom sluĉaju, kada elektron prijeĊe iz vodljivog u valentni pojas poništava se par šupljina -elektron u procesu rekombinacije [54].
54
Kod poluvodiĉkih LED dioda koriste se poluvodiĉi sa zabranjenim pojasom izmeĊu 1.8 i 3 .1 . Kako bi se omogućila efikasna rekombinacija materijali bi trebali imati izravne tranzicije izmeĊu pojaseva, no to nije sluĉaj ni kod Germanija ni kod Silicija (najĉešće korišteni poluvodiĉi) kod kojih su zabranjeni pojasevi premaleni. K tome, poluvodiĉ za korištenje u LED diodama mora
se moći proizvesti u monokristalnom obliku (volumni kristal ili epitaksijalni slojevi). Kombinacijama elemenata iz III i V grupe u periodiĉnoj tablici elemenata moguće je dobiti poluvodiĉke materijale sa zabranjenim pojasevima izmeĊu 1.8 i 6
[55]. U tablici 5 prikazani su
spojeva elemenata iz III i V skupine sa pripadajućim vrijednostima za zabranjene pojaseve (u
).
Tablica 5. Poluvodiĉi dobiveni spojevima elemenata iz III i V skupine Izvor: Physics of Optoelectronic Devices Light Emitting Diodes; VISHAY-TELEFUNKEN; 2000
V
III
Al
Ga
In
N
P
As
Sb
Spoj
AlN
AlP
AlAs
AlSb
eV
6.0
2.45
2.15
1.65
Spoj
GaN
GaP
GaAs
GaSb
eV
3.4
2.26
1.42
0.73
Spoj
InN
InP
InAs
InSb
eV
1.95
1.34
0.36
0.18
Najveći zabranjeni pojasevi nalaze se u grupi nitrida (spojevi dušika) (GaN i InN). Ti se materijali koriste kod poluvodiĉkih LED dioda koje zraĉe plavu svijetlost. Spojevi iz III-V skupine mogu stvoriti miješane kristale. Najvaţniji miješani kristali korišteni kod LED tehnologije su GaAs AlAs,
GaAs-GaP,
InP-GaP-AlP.
U neizravnom podruĉju GaAsP iskoristivost zraĉeće
rekombinacije moţe se znatno povećati dodavanjem primjesama dušika, što smanjuje zabranjeni pojas za otprilike 0.66
.
Jedno od osnovnih svojstva LED dioda je da je zraĉenje gotovo monokromatsko, te ga se moţe okarakterizirati vršnom valnom duljinom ( Najmanji
) i srednjim prosjekom spektralne širine (
).
imaju LED sa izravnom meĊupojasnom rekombinacijom. Drugi mehanizmi i 55
materijalne nehomogenosti dovode do šire emisije. Iz toga je moguće zakljuĉiti da iskoristivost opada smanjivanjem valne duljine. Za sluĉajeve kada se koristi detektor osnovan na Siliciju vaţan
parametar LED diode je zraĉena snaga (
). Svjetlosni tok (
) je pak vaţniji kad se razmatra
ljudsko oko kao prijemnik. Dodatni vaţni parametri su pad napona propusno polarizirane LED ( ) koji za bijele LED iznosi (ovisno o upotrjebljenoj tehnologiji) oko 3.6 V, te vrijeme ukljuĉivanja ( ) i vrijeme iskljuĉivanja ( ). Za bijelu LED diodu i jedno i drugo iznosi oko 30 nanosekundi (ns).
Slika 18. Graf relativnog intenziteta zraĉenja s obzirom na valnu duljinu za YAG:Ce bijele LED Izvor: Standard and White LED Basics and Operation: Application note 3070; Maxim Integrated (TM); 2004
Bijele LED diode ne mogu se postići izravnim zraĉenjem, pošto kao što je to ranije napomenuto LED zraĉe vrlo uski, gotovo monokromatski pojas valnih duljina. MeĊutim, postoje tehnike kojima se moţe dobiti bijela boja zraĉene svijetlosti. Miješanjem dviju ili više razliĉitih boja (korištenjem principa konverzije luminescencije) moguće je dobiti privid bijele boje zraĉenja. InGaN LED prekriven neorganskim fosfornim materijalom otopljenim u Siliciju je jedno od
mogućih rješenja. Dio plave boje biva upijen od YAG:Ce-Fosfatnog (Itrij-Aluminij-Granat 56
obogaćen Cezijem) pretvaraĉa, te naknadno biva odaslan na višoj valnoj duljini. Ţuta i plava su komplementarne boje, stoga se njihovim miješanjem dobiva privid bijele boje. Na slici 18 prikazan je relativni intenzitet zraĉenja s obzirom na valnu duljinu za YAG:Ce LED bijele boje.
Trenutno većina bijelih LED dioda koristi YAG:Ce tehnologiju, no postoje i drugaĉiji naĉini generiranja bijele boje, npr. Sliĉno kao i kod YAG LED dioda, moguće je koristiti UV (ultra ljubiĉastu) LED kao podlogu na koju se premazuje fosforescentni sloj. Obiĉno je u pitanju trikromatski RGB (Red-Green-Blue) fosforescentni sloj. Treća varijanta je korištenje trikromatskog
RGB LED izvora odnosno LED sa ugraĊenim jednim crvenim LED izvorom, jednim zelenim i jednim plavim LED izvorom. Kombinacija tih triju boja, sliĉno kao i kod bijele LED sa UV podlogom daje ukupnu bijelu zraĉenu svijetlost. Kljuĉna stvar u dobivanju bijele boje zraĉenja je pronalaţenje kromatskih koordinata u kromat skom dijagramu. Slika 19 prikazuje kromatski dijagram, te je na njemu oznaĉena pozicija YAG:Ce bijele LED diode. Sa povećanjem struje kroz diodu osnovanu na InGaN tehnologiji dolazi do pomaka kromatskih koordinata, te se stoga treba uzeti u obzir pri uporabi LED diode.
Slika 19. Kromatski dijagram sa naznaĉenom pozicijom YAG:Ce LED izvora zraĉenja bijele svijetlosti Izvor: Phosphor for Blue LED to White Light Conversion; http://loradchemical.com/news/phosphor-forhttp://loradchemical.com/news/phosphor-for blue-led-to-white-light-conversion.html; blue-led-to-white-light-conversion.htm l; Lorad Chemical corporation; 1. 3. 3. 2013
57
Trenutno se kod OW komunikacija razmatra korištenje bijelih LED izvora koji bi sluţili dvojnu ulogu rasvjete i odašiljaĉa. Zbog brzog vremena odziva i mogućnosti modulacije, LED se postavlja kao jako kvalitetna tehnologija za ostvarivanje lokalnih beţiĉnih optiĉkih komunikacijskih mreţa,
odnosno toĉnije, pristupnih mreţa. Trikromatska RGB LED dioda nudi zanimljivu mogućnost multipleksiranja komunikacijskog signala tako što bi se za svaki signal koristila jedna boja. Dakle, rijeĉ je o obliku WDM. Na ţalost su u tom sluĉaju na raspolaganju samo tri multipleks kanala, no korištenjem CDMA moguće je dodatno povećati broj multipleks kanala. S druge strane, kako je YAG LED trenutno najraširenija na trţištu, na toj tehnologiji leţi i fokus istraţivanja. Dokazano je da se korištenjem ove tehnologije mogu postići brzine prijenosa i do 800 Mbit/s korištenjem plavog filtra na prijemniku [56]. [ 56].
LED izvori zraĉe po Lambertovom zakonun kosinusa, te se stoga smatraju Lambertovim izvorima zraĉenja. Dijagram zraĉenja LED diode prikazan je na slici 20.
Slika 20. Dijagram zraĉenja Lambertovog izvora (poluvodiĉka LED dioda) u polarnim koordinatama Izvor: Light matters – Designing Designing illumination systems with high-brightness LEDs; Carl Eskow; 2008.
58
4.6.
Laser LED
Laser je izvor kolimirane koherentne svijetlosti gotovo monokromatskog spektra zraĉenja. Sam naziv je akronim (LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Od
svog otkrića do danas, laser je promijenio jako tehnoloških podruĉja, od znanstvenog istraţivanja, preko obrade i proizvodnje pa sve do komunikacijskih tehnologija. Kao što mu i sam naziv kaţe, laser zraĉi svjetlost preko mehanizma stimulirane emisije zraĉenja. Stimulirana emisija je proces zraĉenja u kojemu se prethodno stimulirani elektron pri
prijelazu na niţu energetsku razinu zraĉi jedan foton. Elektron biva stimuliran na višu energetsku razinu preko upadnog fotona. S obzirom da elektron ne moţe ostati na višoj energ etskoj razini ako postoji prazno mjesto u niţoj energetskoj energetskoj razini, on će eventualno pasti ponovo na niţu energetsku razinu, te će pritom odaslati jedan foton. Proces prijelaza elektrona naziva se populacijska inverzija, a pošto je zraĉeni atom dobiven stimuliranjem elektrona u višu energetsku razinu, ova se pojava naziva stimulirana emisija. Foton dobiven stimuliranom emisijom ima jednaki smjer, polarizaciju,
fazu i frekvenciju kao i upadni foton koji stimulira elektron u višu energetsku razinu. Laser ima ĉetiri osnovna sastavna djela, a to su: 1. Rezonantna komora 2. Izvor energije (za stimuliranje elektrona) 3. Potpuni reflektor 4. Izlazni reflektor (djelomiĉno reflektirajuća površina)
Rezonantna komora je zapravo materijal u kojemu se ţeli ostvariti stimulirana emis ija fotona. Moţe biti naĉinjena od plina, tekućine ili poluvodiĉa. Jedan kraj rezonatora u potpunosti reflektira svjetlost, dok drugi kraj samo djelomiĉno. Cjelokupni sklop rezonatora i zrcala naziva se optiĉki rezonator. Kada vanjskom pobudom poĉinje stim ulirana emisija unutar materijala, svijetlost se nekoliko puta reflektira od krajeva rezonantne komore. Time se dobiva pojaĉanje ukupne izlazne snage zraĉenja. Kada zraĉena svijetlost postane dovoljno jaka, jedan njen dio prolazi kroz djelomiĉno reflektirajuću površinu i biva zraĉena u obliku Gausove zrake.
59
Rezonatori koji koriste plinove i tekućine ostvaruju stimuliranu emisiju preko svjetlosne pobude, dok se u poluvodiĉkim materijalima pobuda vrši preko atoma visoke energije unutar kristalne rešetke. Poluvodiĉkih lasera postoji više vrsta, no s obzirom da se za primjenu u optiĉkim
komunikacijama koristi VCSEL (Vertical Cavity Survace Emitting Laser) u nastavku će upravo ova vrsta poluvodiĉkog lasera biti detaljnije opisana. VCSEL radi na osnovnom principu svakog lasera. Unutarnja šupljina u kojoj su sadrţani
slojevi koji vrše pojaĉanje i stimuliranu emisiju, obloţeni su vodljivim slojevima koji sluţe kao zrcala. VCSEL laseri izraĊeni za zraĉenje valnih duljina od 850 do 980 nm imaju otprilike 8
m
materijala nanesenog epitaksijalnim rastom, dok je aktivno podruĉje od samo nekoliko kvantnih zdenaca (quantum well) debljine do desetak nm [57]. Kvantni zdenac (kvantna jama) je posebna vrsta heterostrukture (struktura dobivena
spajanjem više materijala, obiĉno u slojevima) kod koje je jedan tanki sloj (zdenac) omeĊen sa dva zaporna sloja. Središnji „zdenac― ograniĉava kretanje ĉestica (elektrona) i kvazi ĉestica (šupljina) na dimenziju okomitu na površinu sloja. Sloj zdenca obiĉno je debljine ĉetrdese tak atomskih slojeva, odnosno 100 Å (Angstroma). Zbog te male debljine sloja zdenca i elektroni i šupljine pokazuju iskljuĉivo valna svojstva. Štoviše, dozvoljena stanja unutar strukture odgovaraju stojnim valovima i upravo je njihov smjer okomit na sloj zdenca. Samo valovi odreĊenih valnih duljina mogu stvoriti stojni val unutar zdenca, pa je stoga sustav kvantiziran [58].
Umjesto kristalnog rasta, kod izrade ĉešće se koriste MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) ili MBE (Molecular Beam Epitaxy) tehnike. Kod jednostavnih poluvodiĉkih VCSEL struktura struja se dovodi preko omskih kontakata na gornju epitaksijalnu stranu, te na
zadnju stranu pod sloja (substrate). Kako bi se struja ograniĉila na odreĊeno podruĉje moguće je koristiti više razliĉitih metoda, poput ionske implantacije, te se tako dobivaju poluvodiĉka podruĉja visoke otpornosti. Još jedna metoda za ograniĉavanje struje je selektivna lateralna oksidacija. Obiĉno se vrši na poluvodiĉkom sloju sa visoki sadrţaje aluminija i debljine desetak nanometara. Procesom implantacije protona dobivaju se VCSEL velike pouzdanosti pošto je sam proces doveden gotovo do savršenstva, dok procesom selektivne oksidacije smanjuje optiĉki gubitak unutar optiĉke rezonantne šupljine, te se njima mogu izraditi VC SEL sa performansama boljim od bilo kojih drugih. Na slici 21 prikazan je presjek strukture tipiĉnog VCSEL poluvodiĉkog lasera. 60
Slika 21. Presjek tipiĉne strukture VCSEL poluvodiĉkog lasera sa oznaĉenim slojevima Izvor: Operating Principles of VCSELs; Rainer Michalzik, Karl Joachim Ebeling; 2006
Gornje i donje zrcalo predstavljaju slojeviti Braggov reflektor (Braggovo zrcalo). Sastavljeni
su od niza naizmjeniĉnih slojeva (parova) visokog i niskog indeksa loma, svaki debljine ĉetvrtinu valne duljine. Obiĉno, svako zrcalo sadrţi dvadeset Braggovih parova. Prvi sloj bilo gornjeg ili donjeg zrcala mora u pravilu imati manji indeks loma od susjednog graniĉnog provodnog sloja . Potreba za naizmjeniĉnim slojevima razliĉitih indeksa loma zadrţava parnost Braggovih parova u gornjem zrcalu VCSEL poluvodiĉkog lasera zasnovanom na AlGaAs. Kod donjeg zrcala se pak u tom sluĉaju koristi samo jedan sloj debljine ĉetvrtine valne duljine i jedinstvenog indeksa loma, susjednog pod sloju GaAs visokog indeksa loma. Ovo vrijedi pod uvjetom da gornje zrcalo graniĉi sa materijalom niskog indeksa loma (zrakom) [57]. Uzmu li se u obzir nizovi indeksa loma Braggovog reflektora
ili
, te pretpostavi li se da val upada kroz obloţni materijal indeksa loma sloj indeksa loma
, vršna vrijednost refleksije gornjeg ili donjeg zrcala sa odreĊen je izrazom ( 39).
slojeva definiran je pri Braggovoj valnoj duljini
61
ili
u pod parnih
(39)
Pritom je
definiran sa (40) a
sa (41).
(40)
(41)
U jednadţbama ( 40) i (41) vrijedi
. Uz to, debljina slojeva
odabire se preko
izraza (42).
(42)
Reflektivnost Braggovog zrcala je dakle funkcija broja parova slojeva izraţenih preko jednadţbi (39), (40) i (41). VCSEL poluvodiĉki laseri nisu jedina vrsta poluvodiĉkih lasera. Uz njih postoje još i EEL (Edge Emitting Lasers) poluvodiĉki laseri. Osnovni koncept generiranja i zraĉenja koherentne, kolimirane zrake ostaje isti, no ipak VCSEL ima nekoliko prednosti u odnosu na EEL.
Prvo i osnovno, EEL zbog samog naĉina rada emitira svjetlost iz boĉnog brida poluvodiĉke komponente. Dakle, kako bi se komponenta provjerila mora se prvo izrezati iz wafera ne kojemu je
izgraĊena, zatim spojiti na kontakte i tek onda testirati. U sluĉaju neispravne komponente wafer je uništen i nije ga moguće nadograditi. Kod VCSEL lasera pojedine komponente moguće je testirati još na waferu, pošto koherentna kolimirana zraka zraĉi u smjeru normale u odnosu na površinu 62
wafera. U tom sluĉaju moguće je dakle izvršiti testiranje wafera bez njegovog uništa vanja i po potrebi ponoviti neke od procesa u izgradnji VCSEL-a. to u konaĉnici dovodi do znatno većeg broja
proizvedenih ispravnih komponenti, što u konaĉnici smanjuje cijenu same komponente. Druga prednost nad VCSEL-a je što je kod EEL poluvodiĉkim laserima zraĉena svijetlost
slabije kolimirana, te njena projekcija odstupa od idealne Gaussove razdiobe znatno više nego li je to sluĉaj za VCSEL (zraĉi eliptiĉnu Gausovu zraku). Kod EEL lasera je dakle nuţno upotrijebiti kolimacijsku leću. Zbog kratkog optiĉkog rezonatora zraĉena valna duljina VCSEL poluvodiĉkog lasera odreĊena je rezonancijom šupljine, za razliku od Fabry -Pérot EEL poluvodiĉkih lasera kod kojih je ona uglavnom ovisna o vršnom dobitku. Pomak zraĉene valne duljine uzrokovan termalnim uvjetima ovisan je uglavnom o promjenama prosjeĉnog indeksa loma u rezonatoru, te otprilike
manjim djelom termalnom ekspanzijom slojeva poluvodiĉa. Dakle, pomak zraĉene valne duljine ovisan je o sastavu materijala Braggovih zrcala i unutarnje šupljine. Za VCSEL poluvodiĉke lasere koji zraĉe na podruĉju od 800 do 1000 nm pomak je obiĉno 0.07 nm/K. Kod korištenja VCSEL poluvodiĉkih lasera u digitalnim modulacijama tri faktora djeluju na performanse modulacije. Jedno od tih faktora je kašnjenje ukljuĉivanja. Kašnjenje ukljuĉivanja (turn-on delay) javlja se u sluĉaju kada je prednapon VCSEL -a ispod granice te treba vremena da se
u aktivnom sloju postigne traţena gustoća praga nosioca. Kod rada bez korištenja prednapona kašnjenje ukljuĉivanja prelazi 100 ps. Titranje ukljuĉivanja (turn-on jitter) kao standardna devijacija kašnjenja ukljuĉivanja uzrokovano je kolebanjima uzrokovanim spontanom emisijom te iznosi otprilike 10 ps, te stoga ne
nameće nikakva ograniĉenja, ĉak ni za komunikacijske sustave brzina prijenosa do 10 Gbit/s. Efekt uzoraka bitova (bit pattern effects) ovisi o memorijskim svojstvima spremnika nosioca
i dovodi do promjenama u vremenu punjenja šupljine. Kako bi se smanjio efekt uzoraka bitova, poţeljno je da vrijeme odziva VCSEL -a bude što kraće. S obzirom da to utjeĉe na neke druge parametre, potrebno je pronaći optimalne vrijednosti vremena odziva.
63
4.7.
Nekoherentni i parcijalno koherentni izvori zračenja
Klasiĉna Gausova zraka koju zraĉi laser, zraĉi kolimiranu i koherentnu svijetlost. Koherentnost je svojstvo vala koje omogućava konstantnu vremensku i prostornu interferenciju.
Jednostavnije reĉeno, svijetlost je koherentna ako su svi zraĉeni svjetlosni valovi u fazi. Na slici 22 prikazana je usporedba nekoherentne svjetlosti koju zraĉi LED i koherentne svjetlosti koju zraĉi laser.
Slika 22. Usporedba koherentne i nekoherentne svjetlosti
Atmosferski poremećaji i nehomogenosti ograniĉavaju brzinu prijenosa podataka kod FSO komunikacija pošto je koherentna svjetlost koju oni koriste relativno podloţna tim poremećajima. Laserska svjetlost podloţna je trima glavni m posljedicama uzrokovanih uvjetima medija prijenosa podataka (atmosferskim uvjetima).
Prva posljedica je iskrivljavanje fazne fronte zrake zbog promjena u indeksu loma, što u konaĉnici dovodi do kolebanja intenziteta zrake odnosno treperenja ( scintillation). Druga posljedica su nasumiĉna skretanja uzrokovana vrtloţnim strujama kojima je promjer rotacije veći od promjera zrake. Ova se pojava naziva lutanje zrake ( beam wandering ). 64
Treća posljedica je povećana divergencija zrake zbog prostiranja kroz nehomog enu i vrtloţnu atmosferu. Treperenje predstavlja po mogućnosti najgori problem kod FSO komunikacije, te uzrokuje znatno povećanje BER -a (Bit Error Ratio) a time i pogoršanje performansi samog komunikacijskog sustava. Npr. za gigabitni komunikacijski nije moguće postići komunikacijsku udaljenost izmeĊu
ĉvorova veću od 2.5 km (ĉak i uz optimalne uvjete) uz BER od
. Treperenje je moguće
smanjiti korištenjem parcijalno koherentnih izvora svjetlosti [59]. Smanjenje varijacija u intenzitetu (treperen ja) moguće je postići korištenjem parcijalno koherentne svjetlosne zrake i prijemnika sa
prosjeĉnom vremenskom detekcijom ( time averaging detector ). Na ţalost ova tehnika nije upotrebiva na komunikacijskim sustavima sa propusnošću iznad gigabita, iz razloga što korelacijsko vrijeme izmeĊu razliĉitih prostorno koherentnih toĉaka mora biti kraće od vremena odziva prijemnika (fotodiode). To dakle znaĉi da SLM (Spatial Light Modulator) mora raditi na frekvenciji koja je viša od maksimalne propusnosti fotodiode. Pošto propusnost fotodiode mora biti viša od propusnosti komunikacijskog kanala, najviša brzina prijenosa podataka ograniĉena je najvišom frekvencijom SLM -a. Razvijene ideje iskorištavanja parcijalno koherentne svjetlosti zasnovane na TAPCB (Time Averaging of Partially Coherent Beam) u kombinaciji sa spektralnim kodiranjem (koji se kod
optiĉkih vlakana koristi za CDMA) omogućile bi korištenje kolimirane zrake parcijalno koherentne svjetlosti za veće udaljenosti, ali i LED izvore za manje udaljenosti [59]. U impulsnom naĉinu rada, svaki impuls moţe sadrţavati kilobajte podataka. Dakle, ako je frekvencija pulsiranja 1MHz propusnost ulazi u podruĉje Gbit/s. Strogo govoreći, laserskim izvorom nije moguće dobiti potpuno koherentnu svjetlost. Dakle, svaki je izvor svjetlosti koji bi se potencijalno mogao koristiti u beţiĉnim optiĉkim komunikacijama
parcijalno koherentni izvor. Ipak, svjetlost koju zraĉi laser vrlo je koherentna i gotovo monokromatska, pa se stoga laser kao takav smatra koherentnim izvorom. Pri prostiranju kroz prostor, parcijalno koherentna svjetlost podilazi spektralni pomak [60]. Jedna vrsta parcijalno koherentne zrake opisuje se tzv. GSM (Gaussian Schell Model) modelom.
Varijacija ovog modela koja uvodi dodatna poboljšanja je TGSM (Twisted Gaus sian Schell Model). Ova dva modela koriste Gaussovu korelacijsku funkciju kako bi opisali svojstva difuzora, što dovodi do pojednostavljenja valne jednadţbe. GSM model za uniformnu spektralnu gustoću zadan je izrazom (43). 65
(43)
predstavlja spektralnu gustoću a
Gdje
mjeru koherentnosti za duljinu polja.
Dvodimenzionalni popreĉni vektor koji odreĊuje poziciju toĉke na plohi prostiranja izraţen je sa [61].
Maksimum intenziteta zraĉenja javlja se uvij ek u geometrijskom fokusu, bez obzira na iznos spektralne gustoće. razdioba spektralne gustoće simetriĉna je sa fokalnom toĉkom i osi prostiranja. Osim poništavanja koherentnosti laserskog izvora, moguće je i iskoristiti nekoherentnost nekih drugih izvora poput npr. LED dioda. Iako je LED zapravo izvor koji zraĉi svjetlost po
Lambertovom zakonu kosinusa (difuzni izvor) moguće je prilagoditi zraĉenu svjetlost za korištenje u FSO sustavima na veće udaljenosti. Konkretno, kako bi se LED izvor mogao koristiti u FSO sustavima potrebno je kolimirati zraĉenu svjetlost. To se izvodi kolimacijskom lećom, meĊutim javlja se problem cijene klasiĉne leće, pošto bi takva leća za konkretan komunikacijski sustav morala biti razmejrno velikih dimenzija. Alternativa klasiĉnoj staklenoj konveksnoj kolimaciskoj leći je fresnelova leća. Fresnelova leća znatno je jeftinija, a uĉinak joj je u osnovi jednak klasiĉnoj staklenoj leći, barem što se tiĉe primjene u kolimaciji difuzno zraĉene svjetlosti. Korištenjem ove metode izvedeni su pokusi sa zanimljivim i ohrabrujućim rezultatima [62]. Korištenjem lako nabavljivih komponenti moguće je postići izrazito velike udaljenosti prijenosa. Sama ĉinjenica da su komponente sustava lako nabavljive ĉine sustav vrlo jeftinim. Ipak, propusnost podataka u takvim sustavima ne zadovoljava moderne komunikacijske potrebe, no cilj
pokusa je ionako demonstracija izvedivosti FSO veze korištenjem nekoherentnog kolimiranog izvora.
Na atmosferski prijenos uvelike utjeĉe apsorpcija, raspršenje i turbulencij a. Prijenos zraĉenja
koje putuje kroz atmosferu opisuje se preko Beerovog zakona izrazom (44) [63].
(44) 66
U izrazu (34),
oznaĉava snagu zraĉenja signala na prijemu u toĉki , a
zraĉenu snagu. Atenuacija odnosno prigušenje
poĉetnu,
za zadanu duljinu dan je izrazom (45).
(45)
U gornjem izrazu
oznaĉava vidljivost (izraţenu u km),
razdiobu veliĉina raspršujućih ĉestica u atmosferi. Za
valnu duljinu (u nm), a
(velika vidljivost) razdioba iznosi
(prosjeĉna vidljivost) iznosi 1.3, za
1.6, za 0.16 +0.34, za
(izmaglica)
iznosi
0.5, te nula za vidljivost
(magla).
Totalni optiĉki prijenos je dakle izraţen kao umnoţak atmosferskog prijenosa prijenosa optiĉkih elemenata
(leće) preko jednadţbe
i
. Tablica 6 prikazuje
vrijednosti atmosferskog prijenosa proraĉunate pomoću Beerovog zakona za neke vremenske atmosferske prilike.
Tablica 6. Vrijednosti atmosferskog prijenosa (T) za odreĊene vidljivosti Izvor: Reliability Analysis of FSO Communication Links using Aberrated Divergent Rectangular Partially Coherent Flat-Topped Beam; B. Ghafary, F. D. Kashani, E. Kazemian; 2013
Vremenski uvjeti Izmaglica
Vrlo lagana izmaglica
T(dB/km)
V(km)
-2.4203
3
-1.9095
3.5
-1.5379
4
-1.2583
4.5
-1.0424
5
-0.8722
5.5
67
5. Prijemne Tehnologije Prijam optiĉkog signala igra jako vaţnu ulogu u performansama bilo FSO, bilo OW
komunikacijskih sustava. Ovisno o korištenoj tehnologiji moguće je drastiĉno utjecati na BER (Bit Error Ratio) i SNR (Signal to Noise Ratio). S obzirom da se radi o komunikacijama vidljivim
svjetlom, oĉito je da prijemni element mora biti neka vrsta foto detektora. Razvojem poluvodiĉke tehnologije, broj raspoloţivih ureĊaja koji detektiraju elektromagnetsko zraĉenje u vidljivom spektru se umnogostruĉio. U osnovi, u kategoriju fotoosjet ljivih komponenti mogu se ubrojiti komponente koje se primarno koriste za razne namjere, od fotonaponskih ćelija do CCD ureĊaja. Općenito, za potrebe modernih širokopojasnih komunikacija potrebno je koristiti prijemne ureĊaje koji su u stanju podrţati brzi ne prijenosa zadane potrebama 4G komunikacijskih sustava. Uz to, s obzirom na relativno velike udaljenosti prijenosa kod FSO komunikacija vidljivi svjetlom,
poţeljno je da prijemni ureĊaji imaju dovoljnu osjetljivost da mogu bez gubitaka prihvatiti signal. Fotonaponske ćelije u tom pogledu ne predstavljaju baš pretjerano kvalitetnu prijemnu komponentu. Odziv im je relativno spor a dimenzije velike. Foto naponska ćelija je primarno izraĊena kako bi sa što većom iskoristivošću pretvorila energiju u spektru valnih duljina sadrţanih u sunĉevoj svjetlosti u elektriĉnu energiju. Fotonaponska ćelija se moţe eventualno upotrijebiti za prikaz koncepta komunikacije vidljivim svjetlom, ali na ţalost ništa više od toga (za trenutne tehnologije fotonaponskih ćelija). CCD (Charge Coupled Device) ureĊaji koriste se u ureĊajima za digitalizaciju slike
(digitalni fotoaparati, digitalne video kamere). CCD ureĊaji dovode niz zanimljivih prednosti koje bi bilo moguće iskoristiti kod FSO komunikacijskih sustava, no kao i kod fotonaponskih ćelija, nedostaci su zapravo ti koji odreĊuju koliko je sam ureĊaj primjenjiv u komunikacijske svrhe. CCD ureĊaji imaju vrlo spor odziv (s obzirom na ciljane brzine prijenosa podataka). Razlog tome je njihovo osnovno naĉelo rada. CCD ureĊaj je u stvari posmiĉni registar u kojemu su memorijske komponente osjetljive najvećim djelom na spektar elektromagnetskog zraĉenja vidljive svjetlosti. Nakon ekspozicije svjetlosnom zraĉenju, svaki „piksel― posmiĉnog registra zabiljeţi odreĊeni intenzitet u oblik u naponskog iznosa. Taj se napon serijski pomiĉe na izlaz i slika se na taj naĉin
digitalizira. Upravo je proces digitalizacije taj koji oduzima najviše vremena i najviše usporava 68
odziv. CCD ureĊaji meĊutim mogu biti iskorišteni u SO komunikacijskim sustav ima, ne kao prijemni elementi, nego kao dio sustava upravljanja automatizacijom uspostavljanja veze. Npr.,
CCD ureĊajem moguće je odrediti poziciju izvora i automatski postaviti (ili po potrebi kompenzirati) poziciju prijemnog podsustava djelujući kroz raĉ unalnu povratnu vezu na aktuatore za pozicioniranje.
Od poluvodiĉkih komponenti koje je moguće upotrijebiti kao prijemne elemente ostaju samo fotodiode. To je na kraju krajeva i najoĉitiji izbor za prijemnu komponentu u beţiĉnim optiĉkim komunikacijama (bilo FSO ili OW) s obzirom da se ta tehnologija već naveliko koristi u optiĉkim
komunikacija putem optiĉkih vlakana. Fotodiode u osnovi koriste fotonaponski efekt (kao i fotonaponske ćelije) kako bi na terminalima P i N tipa poluvodiĉa od kojih su napravljen e dale razliku potencijala, odnosno napon ovisan o upadnom svjetlosnom zraĉenju. Iako su u osnovi i fotonaponske ćelije poseban sluĉaj fotodiode, izraz fotodioda će se u ovome radu odnositi na senzore kojima je namjena detekcija intenziteta svjetla. Fotodiode se mogu klasificirati u ĉetiri osnovne vrste, a to su [64]: 1. PN fotodiode 2. PIN fotodiode 3. Shottky fotodiode 4. Lavinske fotodiode (APD – Avalanche Photodiode)
Izrada ovih vrsta poluvodiĉkih fotodioda vrši se na više naĉina. Naĉin odnosno postupak izrade odreĊuje tip odnosno podvrstu poluvodiĉke fotodiode. Planarna difuzija je jedan od tih
postupaka. Kod planarne difuzije površina PN spoja premazuje se sa
(Silicijev dioksid), ĉime
se dobiva fotodioda otporna na tamnu struju (dark current). Tamna struja je pojava elektriĉne struje
kroz fotodiodu i kad ona nije izravno osvjetljena. Uzrok ove pojave je ĉinjenica da je fotodioda podloţna i elektromagnetskom zraĉenju izvan vidljivog spektra. Nije moguće u potpunosti ukloniti utjecaj tamne struje, no postoje naĉini da se ti utjecaji ublaţe.
Nisko kapacitivna planarna difuzija predstavlja poboljšanje na klasiĉnu planarnu difuziju. Cilj ove metode izrade je ubravanje odziva u odnosu na ureĊaje izraĊene planarnom difuzijom. U ovom se postupku upotrebljava N tip materijala visoke ĉistoće i otpora kako bi se povećao
osiromašeni sloj a time smanjilo vrijeme odziva na jednu desetinu uobiĉajene vrijednosti. P sloj izraĊuje se ĉim tanji kako bi se povećao odziv u ultraljubiĉastom podruĉju. 69
Kod PNN+
tipa fotodioda, sloj N+
materijala dodaje se N sloju kako bi se njihova
kombinacija dovela ĉim bliţe osiromašenom sloju. Time se smanjuje odziv fotodiode u infracrvenom podruĉju, što ju ĉini pogodnijom za detekciju kraćih valnih duljina. Kod Shottky fotodiode tanki zlatni premaz prekriva sloj materijala N tipa te time stvara PN
spoj sa Shottkijevim efektom. Pošto je gornja površina N sloja blizu upadne površine fotodiode, ureĊaj je izrazito osjetljiv na ultraljubiĉasto zraĉenje. Navedene vrste fotodioda koriste se za detekciju svjetlosti, njenog intenziteta, pozicije te
valne duljine. Sve navedene vrste odlikuju slijedeća svojstva: 1. Mala osjetljivost na šum 2. Odliĉna linearnost odziva 3. Širok spektralni odziv 4. Mehaniĉka ĉvrstoća 5. Kompaktnost 6. Dugovjeĉnost U osnovi, svaka poluvodiĉka dioda (štoviše, svaki PN spoj poluvodiĉa) detektira odreĊenu
koliĉinu elektromagnetskog zraĉenja. Cilj je meĊutim uvećati taj uĉinak na iskoristivu razinu. Kod fotodiode materijal P sloja predstavlja fotoosjetljivu površinu (upadnu površinu), a materijal N tipa sluţi kao pod sloj ĉime se dobiva PN spoj koji vrši fotoelektriĉnu konverziju.
Obiĉno se P sloj silicijske fotodiode izraĊuje selektivnom difuzijom Bora (B) do debljine od otprilike
.
Neutralno podruĉje na spoju P i N tipa poluvodiĉa naziva se osiromašeno podruĉje. Promjenom debljine vanjskog P sloja, pod sloja N tipa i/ili N+ sloja, te promjenom koncentracija
primjesa, moguća je utjecati na spektralni odziv ureĊaja (drugim rijeĉima, kontrolom i izmjenom navedenih parametara moguće je podesiti osjetljivost fotodiode za odreĊene valne duljine).
70
Pri upadu svjetlosti na površinu fotodiode, elektroni unutar kristalne strukture bivaju stimulirani. Ako je energija svjetlosti veća od energije
potrebne da se savlada zabranjeni pojas,
elektroni će prijeći u vodljivi pojas, dok će u valentnom pojasu ostati šupljine. Parovi elektron šupljina pojavljuju se kroz cijeli P sloj, osiromašeni sloj i N sloj. U osiromašenom sloju elektriĉno polje ubrzava elektrone prema N sloju a šuplj ine prema P sloju. Iz parova stvorenih u N sloju, elektroni ostaju u tom sloju dok se šupljine prostiru kroz N sloj do PN spoja ubrzavajući se, te se naposljetku nakupljaju u valentnom pojasu P sloja. Na taj se naĉin parovi elektrona i šupljina stvoreni pr oporcionalno koliĉini energije upadne svjetlosti skupljaju u N i P slojevima. P sloj stoga postaje pozitivno a N sloj negativno nabijen. Spoji li se fotodioda u ovakvom stanju na vanjski
ureĊaj/trošilo, uslijed razlike potencijala elektroni će se pomaknuti prema P sloju a šupljine prema N sloju. Slika 23 prikazuje strukturu tipiĉne fotodiode.
Slika 23. Presjek tipiĉne fotodiode Izvor: Characteristics and Use of Photodiodes; http://unicorn.ps.uci.edu/H2A/handouts/PDFs/photodiode.pdf; 4. 3. 2013
Do fotonaponskog efekta dolazi samo ako je energija upadnih elektrona veća ili jednaka od energije potrebne za prelaţenje zabranjenog pojasa
. Graniĉna valna duljina
energije zabranjenog pojasa izraţena je u jednadţbi ( 46).
71
izraţena preko
(46)
Pri temperaturi 300 K, istoj temperaturi
silicijske fotodiode iznosi 1.12 eV, dok za GeAsP fotodiode pri
iznosi 1.8V. Preko formule (36) lako se moţe doći do graniĉnih valnih duljina
od 1100 nm za Silicij i 700 nm za GaAsP. Za kratke valne duljine razina apsorpcije u difuznom
sloju postaje vrlo velika. Dakle, što je difuzni sloj tanji i što je PN spoj bliţi površini, to je osjetljivost fotodiode veća. Za obiĉne fotodiode prekidna valna duljina iznosi otprilike 300 do 400 nm, dok fotodiode osjetljive na ultraljubiĉaste valne duljine ispod 190 nm. Prekidna valna duljina odreĊena je svojstvima samih materijala od kojih je fotodioda izraĊena, ali na nju utjeĉe i spektralna
provodljivost materijala okna (koje djeluje kao optiĉki filtar, iako je to inaĉe u ostalim situacijama zanemariv uĉinak). Okna izraĊena od borosilikatnog stakla (sastavljeno od Silicijevog diok sida (
) i Borovih oksida ĉime se dobiva velika otpornost na nagle temperaturne promjene) i
plastiĉnih smola upijaju valne duljine ispod 300 nm. Korištenjem okna od izraĊenih od tih materijala poništiti će osjetljivost fotodiode na kraće valne duljine, pa se stoga kod takvih ureĊaja upotrebljavaju okna od taljenog silicijevog dioksida. Ako je potrebno ograniĉiti osjetljivost iskljuĉivo na vidljivi spektar, u okno se ugraĊuje zeleni filtar. Donje granice svjetlosne osjetljivosti fotodiode odreĊene su karakteristikama šuma samog ureĊaja. Šum fotodiode izraţen je kvadratnim korijenom sume kvadrata termalnog šuma Johnson-ov šum, uzrokovan otporom shunta
(tzv.
) i kvadrata šuma uzrokovanog tamnom strujom ,
te je izraţen formulom (47).
(47)
Korištenjem operacijskog pojaĉala moguće je poništiti utjecaj šuma uzrokovanog tamnom strujom, pa ukupan šum postaje jednak termalnom šumu odreĊenog izrazom ( 48). 72
(48)
U
gornjoj
formuli
(
),
predstavlja
Boltzmanovu
konstantu
je apsolutna temperatura fotodiode (Kelvin) a
frekvencijski pojas šuma. Brzina odziva fotodiode predstavlja mjeru vremena koje je potrebno da struja uzrokovana nakupljenim nabojem poteĉe iz samog ureĊaja, te se obiĉno izraţava kao vremenski interval porasta i vremenski interval pada
. Vremenski interval porasta je vrijeme potrebno da vrijednost struje
poraste sa 10% na 90% uobiĉajenog maksimalnog iznosa, a ovisno je o vremenskoj konstanti koju odreĊuje termalni kapacitet
fotodiode i otpor tereta
spojenog na terminale fotodiode
(Termalni kapacitet je zbroj kapaciteta konstrukcije i spojnog kapaciteta
(difuzije) nosioca naboja stvorenih izvan osiromašenog podruĉja
), i vremenu prostiranja
.
U sluĉaju da je dominantni faktor vremenska konstanta
, vrijeme porasta zadano je
izrazom (49).
(49)
Kako bi se skr atilo vrijeme porasta, pri projektiranju ureĊaja mora se minimizirati bilo
. Kapacitet PN spoja proporcionalan je upadnoj površini
osjetljivoj na svjetlost i obrnuto
proporcionalna kvadratnom korijenu otpornosti materijala pod sloja , te je dana izrazom (50).
(50) 73
ili
i napona obrnute polarizacije
Dakle, kako bi se ubrzalo vrijeme odziva fotodioda mora imati što manju upadnu površinu , što veći , te mora biti obrnuto polarizirana. nosioci izvan osiromašenog podruĉja stvaraju se kada upadna svjetlost ne dostigne PN spojnu granicu već se raspršuje po okolnom podruĉju P i N tipa materijala. Vrijeme
potrebno da se ti nosioci rasprostru moţe biti veće od nekoliko
24 prikazuje ovisnost vremena prirasta o odnosu izmeĊu
i
.
Slika 24. Ovisnost vremena prirasta (odziv) o parametrima
i
Izvor: Characteristics and Use of Photodiodes; http://unicorn.ps.uci.edu/H2A/handouts/PDFs/photodiode.pdf; 4. 3. 2013
74
. Slika
Kod PIN i lavinske (APD) fotodiode
je izrazito malen pa je konstanta
time manja, što
znaĉi da je i vrijeme porasta manje. Ove dvije vrste fotodioda projektirane su za malu razinu generacije nositelja izvan osiromašenog podruĉja, pa su stoga korisne pri detekciji svjetla u optiĉkim komunikacijama velike brzine. APD i PIN fotodiode najĉešće su korišteni detektori u optiĉkim komunikacijama putem optiĉkih vlakana. Iz tog razloga, upravo ove dvije vrste fotodioda predstavljaju najkvalitetniju alternativu za uporabu u beţiĉnim optiĉkim komunikacijama kao što su to FSO i OW. Ove dvije vrste fotosenzor a biti će detaljnije opisane u nastavku rada.
5.1.
PIN fotodioda
Tipiĉna PIN fotodioda sastavljena je od prozirnog P sloja sa velikom koliĉinom primjesa ispod kojega se nalazi apsorpcijski sloj bez primjesa te kontaktni sloj N tipa sa takoĊer velikim brojem primjesa. Samostojeće fotodiode proizvode se na vodljivom pod sloju, ĉime se olakšava stvaranje kontaktnog sloja N tipa i smanjuje broj koraka proizvodnog procesa. Gornji kontakt je
obiĉno prstenastog oblika malog kontaktnog otpora te omogućava prodor svjetla do poluvodiĉa ispod njega. Alternativa ovoj vrsti vodljivog kontakta je korištenje prozirnog vodiĉa poput ITO (Indium Tin Oxide). Aktivna površina izraĊuje se protonskom implantacijom ili metodama izrade uporabom višestrukog izlaganja (mesa etching, double exposition/double etching) što samu površinu ĉini izolirajućom. Sloj dielektrika dodaje se oko aktivne površine kako bi se smanjio
Slika 25. Struktura PIN fotodiode Izvor: Principles of Semiconductor Devices, Chapter 4.7. Photodiodes; Bart Van Zeghbroeck; 2011
75
uĉinak parazitnih kapaciteta kontaktne ploĉice [65]. Osnovna struktura PIN fotodiode sastavljena je od sloja P tipa i sloja N tipa koji nisu izravno spojeni, već se izmeĊu njih nalazi sloj skoro
intrinziĉnog poluvodiĉa. Struktura PIN fotodiode prikazana je na slici 25. Kako bi se smanjila N – N + ili P – P + barijera koja se stvara na upadnoj površini, koristi se stupnjevanje sastava materijala izmeĊu prozirnog kontaktnog sloja i apsorpcijskog sloja. Ta se
struktura primjenjuje kako bi osiromašeni sloj kvalitetno upijao svjetlost i time se osiguralo da nositelji (šupljine i elektroni) razdvojeni elektriĉnim poljem doprinesu s truji fotodiode, istovremeno odrţavajući vrijeme odziva minimalnim. U takvoj strukturi, osiromašeno podruĉje mora biti veće od apsorpcijskog podruĉja, što se postiţe ne dodajući primjese apsorpcijskom sloju (dakle, sloj materijala ostaje intrinziĉan). Da bi se osiromašilo podruĉje bez primjesa dovoljan je jako mali napon, a ako je kroz apsorpcijsko podruĉje potrebno minimalno elektriĉno polje da bi tranzitno vrijeme bilo kratko, tad i podruĉje bez primjesa mora zadovoljiti te uvjete pošto je elektriĉno polj e konstantno. Dodatna prednost je i ĉinjenica da je vremenska konstanta generacije/rekombinacije nosioca duţa kod materijala bez primjesa, što smanjuje termalnu struju u fotodiodi. Osim što apsorpcijsko podruĉje mora biti manje od osiromašenog, gornji kon taktni sloj mora biti proziran za vidljivi spektar zraĉenja. Kod silicijskih fotodioda koriste se tanki slojevi sa velikim brojem primjesa kako bi se smanjila apsorpcija. Koristi li se kontaktni sloj sa širim zabranjenim pojasom, apsorpcija kontaktnog slo ja moţe se gotovo u cijelosti poništiti, što naravno poboljšava odziv fotodiode. Parovi nosioca koje upijaju kvazi-neutralna podruĉja moţe doprinijeti ukupnoj struji fotodiode ( photocurrent ) ali samo ako je do generacije para došlo unutar jedne difuzijske
udaljenosti od osiromašenog podruĉja. To se meĊutim ĉesto izbjegava zbog nepovoljnih prijelaznih pojava koje uzrokuje ovakvo nakupljanje nosioca.
Zbog velike razlike u indeksu loma zraka i većine poluvodiĉa dolazi do zamjetne refleksije na upadnoj površini fotodiode. Refleksija na granici izmeĊu dva materijala razliĉitih indeksa loma izraţena u postotku upadnog zraĉenja ako zraka upada okomito na površinu dana je jednadţbom (51).
(51) 76
Refleksija se moţe gotovo u potpunosti ukloniti premaţe li se površina poluvodiĉa dielektriĉnim materijalom primjerene debljine. Potrebno je razlikovati izmeĊu refleksije kada je elektriĉno polje paralelno sa upadnom površinom sa upadnom površinom poluvodiĉa i
i refleksije kada je magnetsko polje paralelno
. Refleksija je ovisna o kutu upada zraĉenja
, pa su tako
dane formulama (52) i (53).
(52)
(53)
Proces stvaranja parova nosioca u poluvodiĉu izravno je vezano uz apsorpciju svjetla, pošto svaki foton kojeg poluvodiĉ apsorbira generira jedan par elektron -šupljina. Optiĉka mjera generacije nosioca (optical generation rate ) zadana je jednadţbom ( 54).
(54)
Pritom je
upadna osvijetljena površina fotodiode,
koeficijent apsorpcije a
snaga upadne svjetlosti,
energija fotona. Snaga upadne svjetlosti ovisna je o poziciji ( ) i
odreĊena je jednadţbom ( 55).
(55)
77
Stopa gener acije parova dodaje se jednadţbi kontinuiteta ( 57), te se njenim rješavanjem dobiva struja generirana u fotodiodi. Ako se pretpostavi da svi generirani parovi doprinose struji fotodiode, tada je ta struja jednaka integralu mjere generiranja nosioca naboja
. Izraz za stuju
fotodiode prikazan je u formuli (56).
(56)
U gornjoj jednadţbi
predstavlja debljinu podruĉja bez primjesa. Za PIN diodu koja ima
velik broj primjesa u P i N sloju te prozirni kontaktni sloj, integral iz (56) svodi se na izraz (57).
(57)
Pritom je
optiĉka refleksija upadne površine a
snaga upadnog optiĉkog zraĉenja. Za
proraĉun struje fotodiode uzrokovane apsorpcijom fotona u kvazi -neutralnom podruĉju po trebno je rješiti difuzijsku jednadţbu uz uvjet ozraĉenosti, odnosno prisutnosti svjetla, što se u osnovi za šupljine u N kontaktnom spoju svodi na rješavanje jednadţbe kontinuiteta, kao što je to prikazano pod (58).
(58)
Kao što je vidljivo iz jednadţbe ( 58), mjera generacije parova ovisna je o poziciji. Za kontaktni sloj N tipa i energije jednake zabranjenom pojasu apsorpcijskog sloja, mjera generacije
parova izraţena je jednadţbom ( 59), a struja fotodiode koja nastaje u kontaktnom sloju N tipa jednadţbom (60).
78
(59)
(60)
Ova dva izvoda vrijede kad je debljina kontaktnog sloja N tipa znatno veća od difuzijske duljine, pritom prvi izraz upotrebljava se kod doprinosa zbog osvjetljenja a drugi izraz kod doprinosa uzrokovanog termalnom generacijom parova. Iako je kontaktni sloj projektiran na naĉin
da ne apsorbira svjetlosno zraĉenje, kod malih valnih duljina do njega ipak dolazi. Odziv PIN fotodiode, ako se izostavi utjecaj tamne struje odreĊen je izrazom ( 61). Slika 26 prikazuje odziv PIN fotodiode za razliĉite izvedbene tehnologije.
(61)
Od ostalih svojstava PIN fotodioda vaţno je spomenuti dinamiĉki opseg, brzinu odziva i frekvencijski pojas (bandwidth) fotodiode. Dinamiĉki opseg fotodiode izraţen je omjerom najveće i
najmanje optiĉke snage koju fotodioda moţe detektirati.
79
Brzina odziva PIN fotodiode ovisi o tri ĉimbenika [66]: 1. Tranzitno vrijeme nosioca kroz osiromašeno podruĉje koje su generirali upadni
fotoni zraĉenja 2. Elektriĉni frekvencijski odziv odreĊen RC vremenskom konstantom ovisnom o ukupnom kapacitetu fotodiode 3. Spora difuzija nosioca generiranih izvan osiromašenog podruĉja Frekvencijski pojas PIN fotodiode definiran je kao frekvencija pri kojoj izlazni signal opada na
(50%) snage na niskoj frekvenciji. Drugim rijeĉima, to je granica do koje polovica signala
prolazi kroz fotodiodu. Kod pravokutnog signala najviše frekvencije odreĊuju oštrinu rubova, pa porastom frekvencije pravokutnog pr avokutnog vala funkcija fun kcija postaje zaobljenija. zaoblj enija.
Slika 26. Odziv PIN fotodiode s obzirom na valnu duljinu upadnog zraĉenja za razliĉite materijale Izvor: PIN Photodetector Characteristics for Optical Fiber Communication; http://www.fiberoptics4sale.com/wordpress/pin-photodetector-characteristics-for-optical-fibercommunication/; 3. 3. 2013
80
5.2.
Lavinska fotodioda – APD APD
APD (Avalanche Photodiode) je vrlo osjetljiva fotodioda koja moţe raditi na velikim brzinama te ima veliki veliki dobitak. APD ima veći veći odnos signal/šum signal/šum u odnosu na na PIN fotodiode. Mehanizam detekcije fotona kod APD fotodioda iskorištava tzv. unutarnji fotoelektriĉni efekt i lavinsko umnoţavanje nosioca obrnuto polariziranog PN spoja. Elektromagnetsko zraĉenje ĉija energija iznosi minimalno vrijednost potrebnu da se savlada zabranjeni pojas (za Silicij ) biva apsorbirana u strukturu fotodiode. Upadni tok fotona
prodiranja u strukturu, što je izraţeno formulom ( 62).
propada sa dubinom
je apsorpcijski koeficijent ovisan o valnoj
duljini upadne svijetlosti [67].
(62)
Dubina pri kojoj tok fotona eksponencijalno opadne obrnuto je proporcionalna
apsorpcijskom koeficijentu i naziva se dubinom penetracije fotona. Što je energija zraĉenja manja (kraća valna duljina) duljina) to je i dubina prodiranja prodiranja manja. Apsorbirani Apsorbirani tok uzrokuje stvaranje parov a elektron-šupljina u poluvodiĉu, koji bivaju razdvojeni uslijed suprotno polariziranog spoja same
strukture fotodiode. Uĉinak stvaranja, prijenosa i oĉitavanja elektriĉne energije optiĉki generiranih nosioca naboja na izlaznim terminalima strukture naziva se unutarnji fotoelektriĉni efekt ili uĉinak,
te je okarakteriziran unutarnjom kvantnom iskoristivošću
. Kvantna iskoristivost je mjera
generiranih parova nosioca naboja s obzirom na broj upadnih fotona. Dio fotona koji upadaju na
površinu poluvodiĉa biva reflektiran, pa je proces detekcije zapravo okarakteriziran vanjskom kvantnom iskoristivošću
, koja je odreĊena izrazom
.
je indeks refleksije
upadne svjetlosti. Kvantna iskoristivost (u osnovi vanjska kvantna iskoristivost) preko izraza (63).
81
izraĉunava se i
(63)
predstavlja snagu upadnog zraĉenja, a
osjetljivost fotodiode (za APD). Izraz (52) se
obiĉno za praktiĉne primjene aproskimira kao
. Kako bi se postigla najveća
osjetljivost podruĉje apsorpcije mora biti dovoljno velike debljine (obiĉno
) a indeks refleksije
što manji. Kao i kod PIN fotodiode, mali indeks refleksije dobiva se ako je upadna površina prekrivena slo jem dielektriĉnim slojem protiv refleksije indeksa loma
indeks loma poluvodiĉa
, na naĉin da se zadovolji jednadţba
loma zraka. Optimalna debljina sloja protiv refleksije iznosi
odabranog s obzirom na
, pri ĉemu je
indeks
, pri ĉemu predstavlja
valnu duljinu upadnog zraĉenja. Kod silicijskih fotodioda indeks loma upadnog sloja iznosi od 3.4 do 3.5, pa je stoga uvjet minimalne refleksije ispunjen ako se slojem dielektrika Si3 N4 indeksa loma izmeĊu 1.8 i 2. Ipak,
unatoĉ tome što je silicijev nitrid bolji materijal za tu primjenu, ĉešće se u sloju protiv refleksije upotrebljava silicijev oksid (SiO2) sa indeksom loma otprilike 1.5 zbog lakše tehniĉke izvedivosti. Kvantna iskoristivost fotodioda sa SiO2 iznosi od 70% do 75%, za razliku od 80% do 90% fotodioda sa Si3 N4.
Drugi vaţan mehanizam koji utjeĉe na rad APD fotodioda je lavinsko umnoţavanje umnoţavanje nosioca, odnosno lavinski efekt. Lavinsko umnoţavanje nosioca javlja se kada je elektriĉno polje u PN strukturi jaĉe od tzv. kritiĉnog polja pri kojem dolazi do sudarne ionizacije nosioca. Za silicij ta vrijednost iznosi do
. Kod APD dioda elektriĉno polje u PN spoju iznosi od
. Vrijednost elektriĉnog polja ne moţe prijeĉi
jer pri toj vrijednosti dolazi do
Zenerovog efekta. Pojavu sudarne ionizacije karakterizira ionizacijski efekt (prosjeĉni broj parova nosioca stvorenih prolazom jednog nosioca naboja kroz jako elektriĉno polje za odreĊ enu udaljenost). Za većinu većinu poluvodiĉa poluvodiĉa ionizacijski ionizacijski se koeficijenti za elektrone ( ) i šupljine šupljine ( ) razlikuju. Kod silicija je ionizacijski koeficijent za elektrone znatno veći od ionizacijskog koeficijenta za šupljine, pa je stoga faktor lavinskog umnoţavanja za elektrone faktor lavinskog umnoţavanja za šupljine.
82
veći u odnosu na
Ionizacijski koeficijenti, a time i faktori lavinskog umnoţavanja predstavljaju naglo rastuće funkcije elektriĉnog polja u PN strukturi fotod iode. Ako u lavinskom efektu sudjeluju i elektroni i šupljine srednja vrijednost faktora lavinskog umnoţavanja izraţava se jednadţbom ( 64).
(64)
U gornjoj jednadţbi
i
predstavljaju struju elektrona i struju šupljina. Kako bi se postigla
visoka vrijednost srednjeg faktora lavinskog umnoţavanja potrebno je ispuniti slijedeće uvjete: 1. Elektriĉno polje u lavinskom podruĉju mora biti što je jaĉe moguće 2. Debljina lavinskog podruĉja mora biti što je moguće veća 3. Ukupan udio elektronske struje u procesu lavinskog umnoţavanja mora biti ĉim veći
Na slici 27 prikazana je jakost elektriĉnog polja u strukturi APD.
Slika 27. Jakost elektriĉnog pol ja u strukturi APD Izvor: Silicon Avalanche Photodiodes; A. Stoykov, R.Scheuermann; 2004
83
Razdioba elektriĉnog polja ovisi o strukturi po kojoj je APD projektirana i izraĊena. Optimizacija APD vrši se podešavanjem same diode za odreĊeni radni napon i ciljanu valnu duljinu kako bi se ostvario najviši faktor lavinskog umnoţavanja. Još jedan parametar koji opisuje proces lavinskog umnoţavanja je faktor šuma, odnosno dodani šum (excess noise). Dodani šum proizlazi iz samog procesa umnoţavanja nosioca naboja, dakle ovisan je o faktoru umnoţavanja
i izraţen je jednadţbom ( 65)
(65)
predstavlja omjer ionizacijskog faktora za elektrone i ionizacijskog faktora za šup ljine (
) i naziva se
faktor. Što je faktor manji, to je i faktor šuma manji. S obzirom na to, moguće
je primijetiti da što više elektrona sudjeluje u lavinskom procesu, to je dodatni šum uzrokovan lavinskim procesom manji. Kako bi se osigurao minimalni dodatni šum (minimalni faktor dodatnog
šuma) struktura APD mora biti projektirana na naĉin da vrijednost
bude što viša. Omjer struje
elektrona i ukupne vrijednosti struje kroz lavinsko podruĉje uvelike ov isi o valnoj duljini upadnog zraĉenja. Tablica 7 prikazuje usporedbu parametara APD i PN fotodioda za razliĉite tehnologije izvedbe.
Tablica 7. Usporedba parametara APD i PID fotodioda za razliĉite tehnologije izrade Izvor: PIN Photodetector Characteristics for Optical Fiber Communication; http://www.fiberoptics4sale.com/wordpress/pin-photodetector-characteristics-for-optical-fibercommunication/; 3. 3. 2013 Parametar
Silicij
PIN Opseg
(nm)
Vršna valna duljina (nm)
Odziv ρ (A/W)
APD
400 – 1100 900
830
0.6
77-130
Germanij
PIN
APD
800 – 1800 1550 0.650.7
84
1300
3-28
InGaAs
PIN
APD
900 – 1700 1300 (1550) 0.63-0.8 (0.750.97)
1300 (1550)
Kvantna iskoristivost
65 –
(%)
90
Dobitak (M)
1
Faktor dodanog šuma
77 150250
50-55
55-75
60-70
60-70
1
5-40
1
10-30
-
0.3-0.5
-
0.95-1
-
0.7
Radni napon (-V)
45-100
220
6-10
20-35
5
<30
Tamna struja (nA)
1-10
0.1-1.0
50-500
10-500
1-20
1-5
Parazitni kapacitet (pF)
1.2-3
1.3-2
2-5
2-5
0.5-2
0.5
Vrijeme prirasta (ns)
0.5-1
0.1-2
0.1-0.5
0.5-0.8
0.06-0.5
0.1-0.5
(F)
5.3.
Kvadrantna fotodioda
FSO komunikacijski sustavi koriste kao medij prijenosa podataka usko kolimiranu svjetlosnu zraku. S obzirom na potencijalno velike udaljenosti prijenosa podataka (za zemaljske
FSO sustave udaljenost je fiziĉki ograniĉena zakrivljenošću zemlje, pa postoji najveća moguća udaljenost bez obzira na prigušenje signala od strane medija komunikacijskog kanala. Za satelitske FSO sustave ta granica je znatno veća, ali je i dalje prisutna), male promjene u poziciji odašiljaĉa zbog duljine prijenosa postaju problematiĉno velike promjene u poziciji zrake na prijemniku. Sam
problem mehaniĉke fluktuacije zrake moţe se prikazati kroz analizu pravokutnog trokuta. Duljina katete
nasuprot kuta
odreĊena je preko izraza ( 66).
(66)
Iz gornje formule je vidljivo da duljina katete
ovisi o kutu , ali i o duljini hipotenuze .
Ĉak štoviše, što je hipotenuza dulja, tim veći utjecaj na duljinu nasuprotne katete, pa tako i za male kutove
dolazi do velikih promjena u duljini nasuprotne katete. Hipotenuza predstavlja udaljenost
prijemnika od odašiljaĉa. Male promjene kuta odašiljanja mogu nastati uslijed raznih mehaniĉkih i 85
mikroseizmiĉkih vibracija, naleta vjetra ili nekih drugih vanjskih utjecaja. Svaka takva mehaniĉka smetnja moţe uzrokovati potencijalni prekid signala pa je stoga potrebno pronaći kvalitetan naĉin kompenzacije devijacije zrake. Jedno rješenje je povećanje upadne površine prijemnog sustava. To je trenutno na jĉešće korištena metoda kod komercijalno raspoloţivih FSO sustava. Povećanjem
upadne površine moguće je na jeftin naĉin kompenzirati male otklone zrake uslijed mehaniĉkih vibracija na odašiljaĉu. Druga alternativa je upotreba sustava povratne veze koji det ektira pomak upadne zrake te povratnom vezom odašiljaĉu šalje informacije o pomaku kako bi ih on kompenzirao mehaniĉkim aktuatorima. U tom sluĉaju, razmatrajući najjednostavnije mogućnosti implementacije tog sustava, najbolji odabir foto senzora, odnosno prijemnika predstavlja
kvadrantna fotodioda. Kvadrantna fotodioda naziva se još i segmentirani PSD (Position Sensing Detector) i upotrebljava se u raznim primjenama u kojima je potrebno odrediti poziciju upadne
zrake. Segmentirani PSD zapravo su obiĉne fotodiode (tip odnosno vrsta fotodiode nije bitan, pošto je primjena ove vrste fotodetektora vezana uz strukturu, odnosno razmještaj fotoosjetljivih komponenti. Kvadrantna fotodioda moţe se usporediti skupom od ĉetiri fotodiode, koje mogu biti bilo kojeg tipa) podijeljene na dva (za jednodimenzionalno odreĊivanje pozicije) ili ĉetiri segmenta
(za dvodimenzionalno odreĊivanje pozicije – kvadrantna fotodioda) koji su meĊusobno fiziĉki razdvojeni [68]. Simetriĉna optiĉka zraka generira struju ovisnu o upadnoj svje tlosti koja je jednaka za sve segmente (ako je zraka upada u centar PSD-a). relativna pozicija upadne zrake dobiva se
mjerenjem izlazne struje svakog pojedinog segmenta. Ovom metodom moguće je ostvariti pozicijsku rezoluciju do
. Pošto pozicijska rezolucija nije ovisna o odnosu signal/šum samog
sustava, moguće je ĉitati i jako male razine osvjetljenja. PSD pruţaju odliĉnu temperaturnu i vremensku stabilnost te ih odlikuje brzo vrijeme odziva. Uz navedene prednosti postoje dakako i
ograniĉenja. Npr. zraka mora u svakom trenutku barem djelom obasjavati sva ĉetiri segmenta, te u pravilu promjer fronte zraĉenja ne smije biti manji od fiziĉkog razmaka izmeĊu pojedinih segmenata. Kako bi odreĊivanje pozicije bilo što toĉnije zraka mora biti što je više moguće uniformna. Slika (28) prikazuje primjer kvadrantne fotodiode i dijagram sa naznaĉenim pojedinim segmentima.
86
Slika 28. Kvadrantna fotodioda sa kuĉištem (lijevo) i razmještaj segmenata (desno) Izvor: InGaAs PIN photodiode; http://www.hamamatsu.com/jp/en/product/alpha/S/4109/G6849/index.html; 4. 3. 2013
Pri odreĊivanju pozicije upadne zrake dolazi do varijacije koja se izraţava preko pozicijske nelinearnosti, odnosno pozicijske greš ke (PDE - Position Detection Error). PDE je definiran kao geometrijska varijacija izmeĊu prave pozicije i izmjerene pozicije toĉke upada zrake. Za jednodimenzionalne PSD, mjeri se kroz 80% duţine osjetljivog podruĉja, dok se kod dvodimenzionalnih PSD (kvadrantna fotodioda) mjeri nad 64% površine osjetljivog podruĉja. Za
bilo koji proraĉun, nul toĉka definirana je kao elektriĉna sredina, odnosno kao toĉka u kojoj (gdje
i
predstavljaju struje uzrokovane fotoelektriĉnim efektom na kontaktima samog ureĊaja).
Vrijednost PDE izraĉunava se preko izraza ( 67).
(67)
U gornjem izrazu je površina osjetljivog podruĉja a
izraţen u
pomak upadne toĉke zrake. PDE je
. Postotak pozicijske nelinearnosti odreĊuje se dijeljenjem PDE sa ukupnom duţinom
osjetljivog podruĉja. Uz PDE, postoji još nekoliko parametara koji utjeĉu na performanse PSD -a, poput unutarnjeg otpora elektroda. Unutarnji otpor elektroda je otpor izmeĊu dva kraj nja kontakta po jednoj osi. 87
Pomak detektirane pozicije uzrokovan temperaturnim promjenama izraţen je razlikom u pozicijama podijeljenom sa ukupnom duljinom. Kao i PDE, za jednodimenzionalne segmentirane diode definiran je nad 80% duljine a za dvodimenzionalne nad 64% površine osjetljivog podruĉje.
Pozicijska rezolucija definirana je kao najmanji pomak upadnog zraĉenja kojega je moguće oĉitati na aktivnoj površini prijemnika. Rezolucija je ograniĉena odnosom signal/šum samog sustava i ovisi o intenzitetu svjetlosnog upadnog zraĉenja, šumu fotodiode i frekvencijskim pojasom
upravljaĉke elektronike.
i
koordinate upadne svjetlosti u odnosu na centar kvadrantne fotodiode
odreĊuju se preko izraza ( 68) i (69).
(68)
(69)
U gornjim izrazima vrijednosti
,
,
i
predstavljaju struje generirane fotoelektriĉnim
efektom za odgovarajuće segmente kvadrantne fotodiode. Na slici 29 je prikazan tipiĉni sklop za upravljanje segmentiranim (kvadrantnim) fotodiodama.
Alternativa uporabe povratne veze korištenjem kvadrantnih fotodioda i aktuatora za podešavanje kuta odašiljanja je svakako kompliciranija te neadekvatna i neisplativa za uobiĉajene prilike gradskih lokalnih FSO mreţa. Ipak, ova metoda kompenzacije pomaka zrake omogućila bi
upotrebu FSO komunikacijskih sustava u urbanim sredinama podloţnim pojaĉanoj seizmiĉkoj aktivnosti (poput Japana ili zapadne obale SAD-a). TakoĊer, daljnjim razvojem mogla bi se postići i pot puna mobilnost FSO komunikacijskih sustava barem za veće mobilne platforme (npr. brod).
88
Slika 29. Tipiĉni elektroniĉki sklop za upravljanje kvadrantnom fotodiodom Izvor: Photodiode Characteristics and Applications; Felix Haro; 2002
89
6.Optička veza i medij prijenosa
Komunikacija vidljivim svjetlom koristi elektromagnetsko zraĉenje u rasponu valnih duljina od 400 do 700 nm. Kod FSO sustava koriste se i valne duljine u podruĉju infracrvene svjetlosti
(preciznije, 1550 nm kao kod komunikacija putem optiĉkih vlakana) zbog manje osjetljivosti ljudskog oka na ovo podruĉje elektromagnetskog zraĉenja. Kako je medij prijenosa za FSO i OW komunikacijske sustave zapravo atmosfera (osim u sluĉaju satelitskih FSO komunikacija koje će
biti dodatno obraĊene), u ovom će se djelu rada obraditi utjecaj atmosferskih uvjeta na vezu i komunikacijski kanal sustava komunikacije zasnovanih na vidljivom svjetlu. Zemaljska FSO veza koristi medij koji je najpodloţniji smetnjama (OW je u osnovi
ograniĉen na korištenje u zatvorenim prostorijama, a satelitski FSO djeluje u izostanku atmosfere te time nije podloţan njenom štetnom utjecaju na komunikacijsku vezu). OW komunikacijsk a veza moţe se analizirati pojednostavljujući uvjete prijenosa signala kod FSO sustava zbog izolacije sustava od atmosferskih uvjeta.
6.1.
Zemaljska FSO veza
Optiĉki komunikacijski kanal razlikuje se od uobiĉajenog komunikacijskog kanala okarakteriziranog Gausovim šumom po tome što je signal
predstavljen snagom umjesto
amplitude. To dovodi do dva osnovna ograniĉenja u prenesenom signalu [69]. 1.
mora biti pozitivna vrijednost
2. Prosjeĉna vrijednost
ne smije prelaziti specifiĉnu vršnu vrijednost
(70)
90
(70)
Za razliku od konvencionalnog komunikacijskog kanala u kojemu je SNR proporcionalan
snazi signala, kod optiĉkih sustava su primljena snaga i varijacija šuma proporcionalni površini podruĉja pr ijema detektora
i njenom kvadratu
komunikacijskog sustava proporcionalan
, što znaĉi da je i SNR optiĉkog
. To dovodi do zakljuĉka da je uz veću površinu
prijemnog podruĉja moguće povećati SNR. Unatoĉ tome, povećanjem upadne površine povećava se i parazitni kapacitet fotodiode što ograniĉava brzinu prijenosa podataka. Optiĉka veza kod beţiĉnih optiĉkih komunikacijskih sustava ostvaruje se kroz atmosferski kanal koji je sastavljen od plinova i aerosola. Uz sam sastav atmosfere, znatan uĉinak na kvalitetu prijenosa imaju i atmosferski uvjeti
poput kiše, izmaglice i magle. Atmosferski uvjeti stohastiĉke su prirode i ovise o zemljopisnoj lokaciji i godišnjem dobu. Najveća gustoća ĉestica nalazi se u troposferi, dakle najbliţe tlu. Osim atmosferskih uvjeta i samog sastava atmosfere, turbulencija na znaĉajan naĉin utjeĉe na beţiĉnu optiĉku vezu. Do turbulencije dolazi kada sunĉevo zraĉenje pogaĊa zemljinu površinu. Sunĉevo zraĉenje zagrijava zraĉnu masu, pri ĉemu se javlja razlika izmeĊu hladnijih i toplijih lokaliziranih volumena zraka. Topliji zrak kreće se od površine zemlje prema gore te se turbulentno (vrtloţno) miješa sa hladnijim zrakom stvarajući zraĉne vrtloge. To vrtloţenje uzrokuje fluktuacije u temperaturi od 0.01 do 0.1 stupnjeva (iako ova razlika u temperaturi djeluje mala, ona je dovoljna
da uzrokuje raspršenje i apsorpciju signala). Tablica 8 prikazuje prosjeĉni sastav atmosfere.
91
Tablica 8. Sastav atmosfere Izvor: Terrestrial Free-Space Optical Communications; z. Ghassemlooy, W. O. Popoola; 2012 Sastav atmosfere
Postotak ukupnog volumena (%)
Dušik (N2)
78.09
Kisik (O2)
20.95
Argon (Ar)
0.93
Ugljikov dioksid (CO 2)
0.03
ppm (Parts Per Million)
Vodena para (H2O)
40 – 40000
Neon (Ne)
20
Helij (He)
5.2
Metan (CH4)
1.5
Kripton (Kr)
1.1
Vodik (H2)
1
Dušikov dioksid (N 2O)
0.6
Ugljikov monoksid (CO)
0.2
Ozon (O3)
0.05
Ksenon (Xe)
0.09
Jednadţba koja opisuje beţiĉnu optiĉku vezu postaje relativno jednostavna ako se izostavi optiĉka iskoristivost i šum na prijemu [70]. Iznos snage na prijemu
proporcionalan je iznosu
zraĉene snage Pt i površini osjetljivog podruĉja A r te obrnuto proporcionalan kvadratu divergencije zrake
i kvadratu dometa
atmosferskog prigušenja
pomnoţenog sa eksponencijalnom funkcijom koeficijenta
i dometa veze
, te je izraţen formulom (71).
(71)
92
Analizirajući jednadţbu vidljivo je da je na kvalitetu veze moguće utjecati mijenjanjem varijabli zraĉene snage, površine prijemnog otvora, divergencije zrake i duljinom veze odnosno dometa. Koeficijent atmosfer skog prigušenja nije moguće podešavati zbog stohastiĉke prirode atmosferskih uvjeta i uglavnom ne ovisi o valnim duljinama svjetlosti pri uvjetima velike
prigušenosti. Primljena snaga jako velikim djelom eksponencijalno ovisi o umnošku koeficijenta atmosf erskog prigušenja i dometa. Kod ISP (Internet Service Provider) pristupnih aplikacija (gdje
osigurana dostupnost mora iznositi 99.999% ili više) eksponencijalni izraz postaje dominantan. Uzme li se sve to u obzir, lako je uoĉljivo da se pri projektiranju F SO komunikacijskog sustava moţe upotrijebiti izvor manje snage zraĉenja uz manju divergenciju zrake i veću površinu prijema a da se pritom dobije jednaka snaga na prijemu. Komponenta atmosferskog prigušenja dominira izrazom jednadţbe beţiĉne optiĉke veze (osim u sluĉaju idealnih atmosferskih uvjeta) te se pri projektiranju FSO komunikacijskog sustava za ISP pristupne aplikacije (carrier class) mora uzeti u obzir. Uz to mora se uzeti u obzir domet, koji mora biti dovoljno kratak da se smanji utjecaj atmosfer skog prigušenja te istovremeno dovoljno dugaĉak da ĉvorovi ne budu previše blizu jedan
drugome. Sustavi visoke iskoristivosti mogu se postići (uz trenutaĉno stanje tehnologije) za domet ne veći od 500 m. ISP pristupne aplikacije moraju imati velika vremena raspoloţivosti veze zbog korisniĉke
ponude. Standardna raspoloţivost ISP pristupnih veza je 99.999%, što u prosjeku iznosi otprilike 5 minuta nedostupnosti veze na godinu [71]. Jedan od naĉina proraĉunavanja raspoloţivosti veze zasnovan je na proraĉunu najgorih prigušujućih atmosferskih vremenskih uvjeta. Mjerenje prigušenja vrši se pri valnoj duljini 550 nm (sredina vidljivog spektra). Izraĉunavanjem koeficijenta prigušenja za najgore atmosferske uvjete moguće je odrediti najveći domet preko jednadţbe (60 ) za koji će biti moguće ostvariti raspoloţivost komunikacijskog sustava unutar granice 99.999%. Tablica 9 prikazuje iznose prigušenja i maksimalne domete za odreĊene atmosferske uvjete.
93
Tablica 9. Iznosi prigušenja atmosferskih i vremenskih uvjeta uz meĊunarodne standardne vrijednosti. Izvor: Availability of Free Space Optics (FSO) and hybrid FSO/RF systems; Isaac I. Kim, Eric Korevaar; 2001 Atmosferski
Oborine (mm/sat)
Vidljivost
uvjeti
Prigušenje (pri =785
FSO
nm)
domet
0m
0m
Gusta magla
50 m
-339.6 dB/km
110 m
200 m
-84.9 dB/km
330 m
500 m
-34.0 dB/km
610 m
770 m
-20.0 dB/km
780 m
1 km
-14.2 dB/km
880 m
1.9 km
-7.1 dB/km
1.02 km
2 km
-6.7 dB/km
1.03 km
2.8 km
-4.6 dB/km
1.08 km
4 km
-3.0 dB/km
1.13 km
5.9 km
-1.8 dB/km
1.18 km
10 km
-1.1 dB/km
1.22 km
18.1 km
-0.6 dB/km
1.25 km
20 km
-0.53 dB/km
1.26 km
23 km
-0.46 dB/km
1.26 km
50 km
-0.21 dB/km
1.28 km
Srednje gusta magla Umjerena magla
Srednje
Prolom oblaka (100)
umjerena magla
Blago umjerena magla
Izmaglica
Blaga izmaglica
Čista atmosfera
g e j i n S
Jaka kiša (25)
Srednje jaka kiša (12.5)
Lagana kiša (2.5)
Rosa (0.25)
Izrazito čista atmosfera
94
Gubitci u FSO prijenosu svode se na gubitke snage uzrokovane atmosferskim gubicima [69].
Gubici u snazi uzrokovani su od više ĉimbenika. Svjetlosna zraka koja prolazi kroz atmosferu biva djelom apsorbirana od molekula u atmosferi (CO2, vodena para, itd.) te se njena energija pretvara u
toplinsku energiju, dok se dio svjetlosti raspršuje. Zraka već i sama po sebi divergira (što proizlazi iz Beer-Lambertovog zakona). Apsorpcija, raspršenje i divergencija zrake predstavljaju najvaţnij e
ĉimbenike u gubitku snage. Atmosferski gubici su dakle uzrokovani prvenstveno apsorpcijom i raspršenjem. I jedan i drugi uĉinak uzrokovani su sastavom atmosfere, dakle varijabilni su prostorno i vremenski. Prigušujući utjecaj izraţen je preko koeficijenta atmosferskog prigušenja
(kao što je to prikazan u
jednadţbi (60)). Ukupni koeficijent atmosferskog prigušenja jednak je sumi apsorpcije aerosola apsorpcije molekula
te raspršenja aerosola
i rasprš enja molekula
i
. Koeficijent
atmosferskog prigušenja izraĉunava se preko jednadţbe ( 72).
(72)
Do apsorpcije dolazi kada foton meĊudjeluje sa molekulom prisutnom u atmosferi. Neki se fotoni u tom meĊudjelovanju pretvaraju u topli nsku energiju. Koeficijent apsorpcije uvelike ovisi o vrsti i veliĉini molekule te njihovoj koncentraciji. Apsorpcija je selektivni proces jer ovisi o valnoj duljini upadne svjetlosti. To uzrokuje prozirne zone u spektru, odnosno dijelove spektra koji su minimalno podloţni apsorpciji, pa se stoga pri projektiranju FSO sustava nastoji upotrijebiti valne
duljine koje se podudaraju sa prozirnim zonama spektra, što ĉini koeficijent atmosferskog prigušenja uglavnom ovisnim iskljuĉivo o raspršenju. Raspršenje proizlazi iz kutne promjene smjera kretanja fotona nakon što se sudare sa ĉesticom u atmosferi. Ovisi o promjeru ĉestice na koju foton nalijeće. Jedna od metoda opisivanja raspršenja je preko dimenzijskog parametra raspršenju, ako je pak
. Ako je
rijeĉ je o Mieovom raspršenju, a za
radi se o Rayleightovom
raspršenje se opisuje
korištenjem geometrijske optike (geometrijsko raspršenje) i osnovnim zakonima loma svjetlosti. U tablici 10 prikazane su ovisnosti vrste raspršenja u odnosu na veliĉinu ĉestica u atmosferi.
95
Tablica 10. Ovisnosti raspršenja o dimenzijama ĉestica u atmosferi Izvor: Terrestrial Free-Space Optical Communications; z. Ghassemlooy, W. O. Popoola; 2012
Čestice Molekule zraka
Čestice izmaglice
Promjer (
)
Parametar dimenzije
0.0001 0.01 – 1
Raspršenje
0.00074
Rayleighovo Rayleighovo –
0.074 – 7.4
Mieovo Mieovo –
Kapljice magle
1 – 20
7.4 – 147.8
Kapljice kiše
100 – 10000
740 – 74000
Geometrijsko
Snježne pahulje
1000 – 5000
7400 – 37000
Geometrijsko
Jaka kiša
5000 – 50000
37000 - 370000
Geometrijsko
Geometrijsko
Treperenje ( scintillation) predstavlja još jedan uzrok gubitaka pri prijenosu beţiĉnog
optiĉkog signala. Atmosfersko treperenje definirano je kao promjena intenziteta fronte zraĉenja u vremenu i prostoru a oĉituje se na prijemniku [70]. Svjetlosni signal varira zbog prolaza kroz dijelove atmosfere razliĉitih indeksa loma, koji su uzrokovani temperaturnim razlikama uz putanju
prostiranja signala. Promjene indeksa loma uzrokuju promjene smjera kretanja zrake (na sliĉan nalik kao što bi se svijetlost lomila pri prolazu kroz sustav leća i prizmi) u odnosu na smjer prostiranja signala. Vrijeme varijacija u indeksu loma ovisi o uvjetovanom volumenu atmosfere pa
stoga ovisi o strujanjima zraka u atmosferi (brzini vjetra). Pošto je treperenje u potpunosti stohastiĉki proces, njegova analiza je razmjerno komplicir ana. Za male varijacije raspodjela intenziteta zraĉenja na prijemu moţe se pribliţno opisati log -normalnom razdiobom. Kod FSO gdje je staza prostiranja signala horizontalna treperenje ima veći uĉinak a raspodjela intenziteta zraĉenja na prijemu nalikuje više na eksponencijalnu razdiobu.
Pri mjerenju atmosferskog treperenja ĉesto se koristi parametar
. Ovaj parametar izravno
je vezan za brzinu vjetra i u grubo izraţava turbulentnost atmosfere. Varijacije u korisne su za predviĊanje promjene u intenzitetu zraĉenja na prijemniku (73). 96
parametru
korištenjem izraza
(73)
U izrazu (72) vidi se da je promjena u intenzitetu zraĉenja na prijemniku parametru
(indeks str ukturne refrakcije), optiĉkom valnom broju
proporcionalna i (aproksimativno)
kvadratu duljine staze prostiranja signala (duljina dometa) . Promatrajući ovu jednadţbu moguće
je primijetiti da kraće valne duljine imaju proporcionalno veće promjene u intenzitetu zraĉenja na prijemniku, npr. sustav koji koristi valnu duljinu 780 nm ima otprilike duplo veći koji koristi valnu duljinu 1550 nm. Sa dvostrukim povećanjem dometa
od sustava
postaje duplo veći. Na
slici 30 prikazan je izgled zrake lasera za duljinu propagacije 1000 m podloţene treperenju. U toĉki
odašiljanja zraka ima Gausovu (normalnu) razdiobu, no pri prolazu kroz atmosferske volumene zraka razliĉitih indeksa loma (uslijed temperaturnih razlika i razlika u gustoći) pri prijemu projekcija dobiva karakteristiĉan izgled „mrlje―. Projekcija na prijemniku promjenjiva je u vremenu i utjeĉe na BER komunikacijskog kanala.
Slika 30. Izgled fronte zraĉenja lasera nakon duljine propagacije 1000 m kroz atmosferu Izvor: Modeling Optical Scintillation; http://spie.org/samples/PM99.pdf; 5. 3. 2013.
97
Znaĉajni izvori pozadinskog šuma kod FSO komunikacijskih sustava su raspršeno zraĉenje i sunĉevo zraĉenje [69]. Zraĉenje ostalih nebeskih tijela poput mjeseca ili zvijezda smatra se preslabim da bi imalo ikakav znaĉajan utjecaj na ukupne performanse zemaljskih FSO sustava, no ti izvori dobrim djelom doprinose pozadinskom šumu kod satelitskih primj ena FSO komunikacijskih veza. Jednadţba ozraĉenosti (snaga po jedinici površine) za reflektirani pozadinski šum prikazana je u izrazu (74), a za izravni (sunce) u (75).
(74)
(75)
U jednadţbama sunca.
predstavlja spek tralnu ozraĉenost atmosfere a
je pojas valnih duljina na prijemu dok
spektralno zraĉenje
predstavlja upadno polje (Field Of Vision)
prijemnika i izraţeno je u radijanima. Pozadinski šum moţe se uvelike smanjiti korištenjem prijemnika sa malim
.
Dodatni izvori pozadinskog šuma su kvantni šum i termalni šum. Kvantni šum uzrokovan je statistiĉkom naravi optiĉkog procesa detekcije. Termalni šum uzrokovan je termalnim fluktuacijama elektrona u prijemnom elektroniĉkom sklopu ekvivalentnog otpora
i temperature
.
Pozadinski šum, kvantni šum i termalni šum stohastiĉki su procesi, te su kao takvi definirani vjerojatnosnom razdiobom ĉije su varijacije rednom zadane izrazima ( 76), (77) i (78).
(76)
(77)
98
(78)
U gornjim izrazima osjetljivost detektora ( konstantu a
predstavlja elektriĉni frekvencijski pojas,
je kvantna iskoristivost,
je osnovni naboj,
predstavlja predstavlja plankovu
brzinu svjetlosti). Ukupna varijacija šuma jednaka je sumi pojedinih varijacija i
zadana je jednadţbom ( 79)
(79)
Pošto je prosjeĉna optiĉka snaga odašiljaĉa ograniĉena, razliĉite modulacijske tehnike usporeĊuju se prema prosjeĉnoj optiĉkoj snazi na prijemu potrebnoj da bi se ostvario ciljani BER uz odreĊenu propusnost podataka. Od metoda modulacije koje pruţaju najbolje rezultate kod FSO komunikacijskih sustava OOK, ASK i PPM [69]. U zemaljskim FSO sustavima najĉešće se koristi
OOK modulacija, bilo sa RZ ili NRZ varijantom. Kod NRZ OOK modulacije optiĉkog signala, vršna snaga impulsa binarnu jedinicu.
predstavlja binarnu nulu, dok prijenos signala vršne snage predstavlja omjer prigušenja optiĉkog izvora i definiran je
predstavlja
. Pošto
se radi o NRZ metodi modulacije trajanje optiĉkog impulsa jednako je trajanju simbola. Kod RZ OOK modulacije vremensko trajanje optiĉkog impulsa kraće je od trajanja simbola, što poboljšava
iskoristivost ove modulacije u odnosu na NRZ OOK, ali povećava potrebni frekvencijski pojas. PPM (Pulse Position Modulation) je najĉešće korištena alternativa OOK modulaciji u FSO sustavima. PPM modulacija pruţa bolju iskoristivost snage, ali kao i kod RZ OOK modulacije,
povećava se frekvencijski pojas ( bandwidth).
99
6.2.
Satelitska FSO veza
Satelitska FSO veza izvodi se izmeĊu pojedinih satelita i izmeĊu satelita i zemljine površine. MeĊu satelitska komunikacijski kanal modeliran je prema zemaljskoj FSO komunikaciji, no s obzirom da se komunikacija vrši u izostanku atmosfere, njeno atenuacijsko djelovanje moţe se izostaviti iz modela. S obzirom na to, meĊu satelitska FSO komunikacija moţe se pr ovoditi uz izrazito veće domete, ograniĉene zapravo samo zakrivljenošću zemlje, što omogućuje korištenje metoda modulacije koje bi zbog atmosferskog prigušnog utjecaja bilo nemoguće koristiti. Glavni utjecaji na meĊu satelitsku vezu je ograniĉenje uzrokovano vibracijama i mobilnošću satelita. Pošto se veza ostvaruje na dometima i do nekoliko desetaka tisuća kilometara, najmanja promjena u kutu odašiljanja uzrokovana vibracijama uzrokuje izrazito velike pomake u odnosu na prijemnik (kao što je to bilo pokazanu u izrazu (55)). Satelitski FSO sustavi dakle koriste usmjeravajuće aktuatorske
sustave kako bi kompenzirali pomake i vibracije. Sustavi usmjeravanja odašiljanja relativno su kompleksni a divergencija obiĉno je reda veliĉine mikro radijana, pa se stoga z a usmjeravanje koriste podaci efemerida (tablica podataka sa geocentriĉnim lokacijama nebeskih tijela, u ovom sluĉaju komunikacijskih satelita, u odreĊenim vremenskim intervalima, proraĉunatima na temelju poznatih putanja). Razne vibracije uzrokovane funkcijama satelita utjeĉu na ne zanemariv naĉin na
sam sustav usmjeravanja zrake. Te vibracije umanjuju signal na prijemu, a time povećavaju BER i u potpunosti su stohastiĉke prirode [72]. Pristupi rješavanju problema vibracija su povećanje snage odašiljanja, upotreba kompleksnijeg sustava usmjeravanja zrake i prilagodba parametara snage odašiljanja, frekvencijskog pojasa te dobitka optiĉkog sustava razini vibracije. Sva navedena rješenja imaju nekoliko nedostataka: 1. Povećane dimenzije 2. Povećana masa 3. Povećana potrošnja energije 4. Povećan o zagrijavanje 5. Povećana cijena 6. Povećana kompleksnost sustava
100
Navedeni nedostaci uvelike povećavaju cijenu i smanjuju pouzdanost cijelog sustava. Potrebno je stoga pronaći kompromis izmeĊu cijene i kvalitete veze koja će omogućiti ISP potraţnju pristupaĉnosti od 99.999%. Kako bi se uspostavila optiĉka veza izmeĊu dva satelita u orbiti oko zemlje, kao prvo i osnovno, izmeĊu promatrana dva satelita mora postojati izravna optiĉka linija (LOS – Line Of Sight). Kako bi se u grubo uspostavila izravna optiĉka linija koriste se podaci iz efemerida, dok se za precizno uspostavljanje veze koristi sustav usmjeravanja zrake. Cijelo vrijeme komunikacije
optiĉka veza se ne smije prekidati, jer u protivnom dolazi i do prekida komunikacije. Najĉešća metoda uspostavljanja same komunikacijske FSO veze kod satelita je korištenje usmjerivaĉke zrake ( tracking beam) na odašiljaĉkoj strani i kvadrantnoog detektora (kvadrantna fotodioda) na prijemnoj strani. I odašiljaĉki i prijemni sustav spojeni su na mehaniĉ ki sustav usmjeravanja i ostale upravljaĉke elektroniĉke sklopove. Precizno podešavanje upadne zrake vrši se oĉitavanjem pozicije zrake na kvadrantnom detektoru. Zbog raznih mehaniĉkih uzroka sustav za odašiljanje signala vibrira, što se oĉituje kao znatan pomak na prijemu zbog velikih udaljenosti. Okomita greška kutnog usmjeravanja uzrokovana mehaniĉkim vibracijama na odašiljaĉu opisuje se normalnom (Gausovom) razdobom. Elevacijska greška usmjeravanja dana je normalnom distribucijom ĉija je gustoća razdiobe izraţena preko ( 80).
(80)
U gornjem izrazu
predstavlja standardnu devijaciju elevacije usmjerene zrake a
kut
elevacije usmjerene zrake. Azimutalna pogreška usmjeravanja takoĊer je zadana normalnom razdiobom preko izraza (81).
(81)
101
U gornjem izrazu
predstavlja standardnu devijaciju azimuta usmjerene zrake a
azimutalni kut usmjerene zrake. Radijalna pogreška usmjerenosti
izraţena je preko kvadratnog
korijena sume kvadrata azimutalnog i elevacijskog kuta, i dana je izrazom (82).
(82)
Temeljem simetriĉnosti normalne razdiobe, uzima se da je standardna devijacija azimutalne usmjerenosti jednaka standardnoj devijaciji elevacijske usmjerenosti. Stoga je i radijalna devijacija istog iznosa. Uzme li se u obzir pretpostavka da su elevacijski i azimutalni proces odstupanja
usmjerenosti neovisni jedan o drugome i da imaju jednake razdiobe, ukupni radijalni kut greške odstupanja usmjerenosti izraţava se pomoću Rayleighove razdiobe ĉija je gustoća razdiobe dana izrazom (83).
(83)
Slika 31. Gustoća atmosfere prikazana u omjeru sa gustoćom na razini mora u ovisnosti o visini Izvor: Air Density; http://www.aerospaceweb.org/question/atmosphere/q0046b.shtml; Alberto Sanchez; 5. 3. 2013
102
Ovo modeliranje mehaniĉkih vibracija korisno je ne samo kod satelitskih FSO sustava, već i kod teoretiziranih zemaljskih FSO komunikacijskih sustava povećane mobilnosti. Npr. navedene
metode uspostavljanja komunikacijske veze potencijalno su primjenjive pri umreţavanju broda pri ulazu u luĉki terminal ili akvatorij luke, o ĉemu će još u nastavku biti rijeĉi. Kao što je to i prethodno bilo navedeno, k od satelitskih FSO sustava potrebno je razlikovati meĊu -satelitsku vezu od veze satelita sa zemaljskom baznom stanicom (bilo dolazni (downlink) ili odlazni (uplink) smjer
komunikacije). U sluĉaju meĊusobne komunikacije satelita u orbiti oko zemlje nije pot rebno uraĉunavati atmosfersko prigušenje zbog vakuuma svemira, no pri komunikaciji satelita sa zemaljskom stanicom atmosfersko prigušenje je neizbjeţno. Na slici 31 prikazana je gustoća atmosfere u odnosu na visinu. Vidljivo je da sa porastom visine gustoć a atmosfere opada. Iz grafa je vidljivo da je već pri visini od 24 km gustoća atmosfere uvelike opala u odnosu na gustoću na razini mora. Sateliti se nalaze u orbitama na visinama od 300 km (LEO – Low Earth Orbit) do 116000 km (HEO – High Earth Orbit). Na tim visinama atmosfera više nema dovoljno
znatan uĉinak na FSO podatkovnu vezu i njeno prigušenje, pa se mogu ostvarivati znatno veće udaljenosti, kao što je to i ranije navedeno. U sluĉaju povezivanja satelita sa zemaljskom baznom stanicom meĊutim debljina atmosfere itekako dolazi do izraţaja. Kod zemaljskih FSO sustava brzina prijenosa, propusnost i pristupaĉnost ograniĉeni su upravo dometom, odnosno duljinom prostiranja veze kroz atmosferu, na domet manji od 1000 m (za prethodno navedenu pristupaĉnost od 99.999% i dovoljno veliku propusnost podataka). Stoga potreba za ostvarivanjem dometa većeg
od 30 km itekako zabrinjava. Ipak postoje rješenja od kojih je najjednostavnije pojaĉanje zraĉene snage signala. Kako bi se ostvarila što veća pristupaĉnost i prop usnost, pri povezivanju satelita i zemaljske bazne stanice moraju se uzeti u obzir odreĊeni uvjeti: 1. Utjecaj oblaka na prekid izravne optiĉke linije i prekid signala 2. Utjecaj zraĉnog prometa na prekid veze 3. Elevacija satelita u odnosu na baznu stanicu 4. Pozadinski šum uzrokovan atmosferskim raspršenjem i suncem
Uz ove utjecaje, potrebno je i voditi raĉuna o zaštiti okoline od potencijalno opasne snage zraĉenog signala. S obzirom da bi se lokacija bazne stanice trebala odabirati uzevši u obzir prosjeĉan broj oblaĉnih dana u godini za ţeljenu lokaciju, velika je vjerojatnost da je to podruĉje 103
sušno i podloţno poţarima, koje bi potencijalno mogla uzrokovati refleksija zrake. TakoĊer, potrebno je voditi voditi raĉuna o tome da zraka signala ne ne dovodi u pitanje sigurnost zraĉnog prometa. Općenito, za komunikaciju satelita i bazne stanice nije moguće izravno koristiti jednostavne poluvodiĉke lasere zbog premalih snaga zraĉenja. Moguće je meĊutim upotrijebiti optiĉki odašiljaĉki sustav temeljen na poluvodiĉkom laserskom izvoru i EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) optiĉkom pojaĉalu. Pri projektiranju veze satelita i bazne stanice moraju se uzeti u obzir razna djelovanja koja
uzrokuju prekide u vezi. Najĉešće su prekidi uzrokovani vremenskim prilikama. Kako bi se umanjili prekidi uzrokovani vremenskim prilikama potrebno je paţljivo odabrati lokaciju bazne stanice.
U sluĉaju prekida veze uputno je koristiti razraĊene metode uspostavljanja veze poput korištenja retranzmisijskih protokola. Jedan takav protokol je i ARQ (Automated Re peat Request). ARQ protokol se ĉesto koristi za povećanje pouzdanosti nepouzdanih sustava, odnosno sustava sa uĉestalim prekidima veze. U kontekstu FSO veze zemaljske bazne stanice i satelita, kako se ne bi smanjila brzina prijenosa, preporuĉeno je koristi ti ARQ sa selektivnim ponavljanjem. Kod ove metode predajnik konstantno odašilje podatke u dolaznom smjeru (downlink). Ako se na prijemu duţe vrijeme ne oĉita neki od odaslanih podatkovnih okvira sustav pretpostavi da je podatkovni okvir izgubljen te zapoĉne ponovno odašiljanje (retranzmisija) tog podatkovnog okvira. Moguće je i prilagoditi ARQ protokol na naĉin da se pri gubitku podatkovnog paketa šalje signal ne primanja istog. ARQ protokol moţe se implementirati na podatkovnom ili na transportnom t ransportnom sloju. Kako bi se maksimizirao komunikacijski kapacitet kanala potrebno je upotrijebiti najkvalitetnije metode modulacije i kodiranja signala s obzirom na komunikacijsku tehnologiju [73]. Za komunikaciju sa satelitom putem FSO veze potrebna je modulacija sa velikim omjerom
vršne i prosjeĉne snage signala. PPM modulacija najĉešće se uzima kao najkvalitetnija i najjednostavnija najjednostavnija u tim ti m uvjetima. Unatoĉ tome, moguće je upotrijebiti i druge metode modulacije. Nakon odabira modulacije, potrebno je odabrati i najprikladniji najprikladnij i kod. Izvorno se u
komunikacijama izmeĊu satelita koristio RS kod, no u novije vrijeme JPL (Jet Propulsion Laboratory) razmatra korištenje serijski povezanih PPM kodova (SCRS – Serially Concatenated PPM). Ova vrsta koda moţe postići brzine prijenosa bli zu granice kapaciteta kanala.
104
6.3.
OW veza
OW (Optical Wireless) predstavlja varijantu širokopojasne komunikacije vidljivim svjetlom koja se koristi za lokalne beţiĉne pristupne mreţe. Neki autori ovaj termin upotrebljavaju za opći pojam komunikacija vidljivim svjetlom, dok neki drugi termin veţu iskljuĉivo uz lokalne beţiĉne
mreţe u zatvorenim prostorijama sa dometom ne većim od 100 m. Pošto je razlika izmeĊu beţiĉnih optiĉkih mreţa za veće domete (FSO) i lokalnih beţiĉnih optiĉkih mreţa vrlo izraţena, u ovom se radu druge navode kao OW.
Kao što je napomenuto OW ima neke osnovne temeljne razlike u samom konceptu i implementaciji prijenosa podataka, no takoĊer kao medij koristi spektar valnih duljina vidljive svjetlosti. Najosnovnija razlika izmeĊu FSO i OW je implementacija dolaznog (downlink) i odlaznog (uplink) smjera komunikacije. Kod FSO sustava, svaki ĉvor je konceptualno jednak i omogućuje komunikaciju u oba smjera. Cilj OW tehnologije je umreţavanje samih korisniĉkih ureĊaja, pa je stoga razumljivo da odlazni smjer komunikacije ne moţe biti implementiran jednakim standardnim ĉvorom, već mora biti ugraĊen u sam ureĊaj (laptop raĉunalo, tablet PC, smart phone) na naĉin da ne ometa korisnika ureĊaja. Druga temeljna razlika izmeĊu OW i FSO komunikacijskih tehnologija je naĉin prostiranja zrake. Kod FSO sustava koristi se uska kolimirana zraka, dok se kod OW sustava koriste izvori sa
znatno većom divergencijom. Konkretno, Konkretno, kod OW sustava koristi koristi se više razliĉitih vrsta odašiljaĉa okarakteriziranih radijalnim k utom utom prostiranja. OW odašiljaĉi mogu se svrstati u nekoliko standardnih vrsta: 1. Difuzni odašiljaĉ (Lambertov izvor) 2. Odašiljaĉ sa širokim radijalnim kutom propagacije (jedan ili više) 3. Odašiljaĉ sa uskim radijalnim kutom propagacije (jedan ili više) 4. Difuzni reflektirani izvor
Slika 32 prikazuje metode odašiljanja optiĉkog signala (downlink) kod OW komunikacija vidljivim svjetlom.
105
Slika 32. Metode odašiljanja (dolazni smjer) OW optiĉkog signala Izvor: O'Brian, Katz ; Short-Range Optical Wireless Communication; 2004
Kako je primarno podruĉje upotrebe OW komunikacija povezivanje korisniĉkih ureĊaja u zatvorenim prostorijama, ove metode odašiljanja signala dovode do zanimljive mogućnosti spajanja odašiljaĉa u sinergijsku cjelinu sa rasvjetom prostorije. Naime, brzine prijenosa podataka koje se zahtijevaju od OW komunikacija uvelike premašuju tromost ljudskog oka, a s obzirom da se pri odašiljanju signala koristi vidljivo svjetlo, moguće je to isto svjetlosno zraĉenje upotrijebiti za osvjetljenje prostorije bez da se pritom ometa korisnika.
Odašiljaĉ se moţe modelirati preko prosjeĉne optiĉke snage
(pošto je preneseni preneseni signal signal u
optiĉkim komunikacijskim sustavima zapravo snaga) i kuta polovice snage
(kut izmeĊu
normale na površinu zraĉenja i smjera u kojemu snaga opada za -3dB) [74]. Krećući od generaliziranog Lambertovog modela difuznog izvora parametar
odreĊuje usmjerenost usmjerenost izvora) odreĊuje se preko kuta
(parametar modaliteta –
izrazom (84).
(84)
106
Uz to, potrebno je izraĉunati zraĉenu optiĉku snagu u odnosu na polovicu kuta odašiljanja preko izraza (85).
(85)
Prijemnik je pak okarakteriziran trima osnovnim parametrima; osjetljivost detektora
površina osjetljivog podruĉja
i vidno polje (FOV – Field Of View). Površina
u odnosu na normalu povr šine i kuta
, za kojeg vrijedi
proraĉunava se
i koji predstavlja polovicu
kuta prijema (takoĊer u odnosu na normalu) preko izraza ( 86).
(86)
Pod pretpostavkom da je udaljenost
izmeĊu odašiljaĉa i prijemnika mnogo veća u odnosu
na dimenzije fotodiode, jednadţba frekvencijskog odziva kanala (za nultu frekvenciju) dana je izrazom (87).
(87)
. Geometrijsko prigušenje komunikacijskog
Ovi izrazi dakako vrijede samo ako
kanala izraţeno u dB dano prirodnim logaritmom frekvencijskog odziva, a prosjeĉna optiĉka snaga na prijemu
dana je izrazom (88). (88)
107
,
Razlika optiĉke prijemne snage veze
i osjetljivosti prijemnika
naziva se marginom optiĉke
i izraţena je formulom ( 89).
(89)
Kod OW komunikacijskih sustava postoje dva osnovna kriterija po kojima se odabire vrsta
modulacije, a to su snaga odaslanog signala i širina frekvencijskog pojasa. Zbog osjetljivosti ljudskog oka na svjetlost prevelike snage, kod zraĉenog signala ona mora biti ograniĉena na
vrijednosti koje neće uzrokovati ozljede. To ograniĉenje uvelike utjeĉe na kvalitetu veze. Modulacijske metode sa dobrom iskoristivošću snage vrlo su uĉinkovite pri k ompenzaciji gubitka u kanalu za male brzine prijenosa u komunikacijama izravnom optiĉkom linijom, no za veće brzine prijenosa i komunikacije u kojima se ne upotrebljava izravna optiĉka linija (poput difuznog reflektiranog OW izvora) ta se uĉinkovitost gubi zbog pojasno ograniĉene karakteristike komunikacijskog kanala uzrokovane višestrukim stazama propagacije reflektiranog signala, što u konaĉnici dovodi do miješanja modulacijskih simbola (ISI – Intersymbol Interference) [75]. Miješanje modulacijskih simbola naroĉito je izraţeno kod metoda modulacije sa malom iskoristivošću frekvencijskog pojasa, npr. PPM i DPIM (Digital Pulse Interval Modulation) kod kojih snaga moţe prijeći vrijednosti jednostavnijih metoda modulacije poput OOK. Postoje dakako metode modulacije kojima se miješanje modulacijskih simbola moţe suzbiti, npr. MLSD (Maximum-Likehood Sequence Detection), ekvalizacija i TCM (Trellis Coded Modulation).
Metode modulacije sa većom iskoristivošću frekvencijskog pojasa (duţim impulsima) lakše se implementiraju i manje su podloţne miješanju modulacijskih simbola pa stoga manje utjeĉu na
snagu signala, dok metode modulacije velikog frekvencijskog pojasa (kraćim impulsima) posjeduju niţu prosjeĉnu snagu koja zadovoljava sigurnosne mjere za zaštitu vida, ali pate od izobliĉenja uzrokovanog višestrukim stazama prostiranja signala. Za OW sustave koji koriste modulaciju intenziteta uz izravnu detekciju (IM/DD – Intensity
Modulation with Direct Detection) moţe se koristiti modulacija vala nosioca ili modulacija s ub nosioca. PPM i DPIM modulacije imaju znatno veću iskoristivost od OOK modulacije, no zbog toga imaju umanjenu iskoristivost frekvencijskog pojasa. Unatoĉ tome, pri zadanoj iskoristivosti PPM ima veću iskoristivost snage u odnosu na DPIM pa se i ĉešće pr imjenjuje. OOK je vrlo 108
koristan kod velikih brzina prijenosa (>100 Mbit/s). Izobliĉenje uzrokovano višestrukim putanjama
prostiranja optiĉkog signala dolazi do znaĉajnog izraţaja upravo u sluĉajevima velikih brzina prijenosa.
109
7.
Primjena digitalnih optičkih komunikacija vidljivim svjetlom Digitalne komunikacije vidljivim svjetlom poĉele su zaokupljati istraţivaĉe i razvojne
inţenjere iz tri osnovna razloga: 1. Potraţnja za povećanjem propusnosti i brzine prijenosa 2. Sve veća iskoristivost RF frekvencijskog spek tra 3. Napredak tehnologija ukljuĉenih u beţiĉne optiĉke komunikacijske sustave
Potraţnja za povećanjem propusnosti i brzine prijenosa proizlazi iz konstantnog rasta broja korisnika koji ţele imati pristup širokopojasnoj komunikacijskoj vezi. Trenutno najzast upljenije tehnologije kod beţiĉnih širokopojasnih komunikacija upotrebljavaju RF elektromagnetski spektar, no taj je spektar ograniĉen, a upravo zbog rasta potraţnje, njegova se iskorištenost pribliţava granici. Upravo iz tog razloga istraţuju se alternativne metode prijenosa podataka koje bi omogućile širokopojasni pristup i velike brzine prijenosa. Nagli rast u poluvodiĉkim tehnologijama za koji je prvenstveno zasluţan razvoj digitalnih sustava omogućava iskorištavanje novih poluvodiĉkih tehnologija na podruĉju digitalnih širokopojasnih komunikacija. U kontekstu beţiĉnih optiĉkih
komunikacija, najizraţeniji je napredak u razvoju odašiljaĉa (poluvodiĉke laser diode, VCSEL) i prijemnika (fotodiode, APD i PIN). Uzme li se u obzir napredak u samom fiziĉkom slo ju digitalnih beţiĉnih optiĉkih komunikacija, implementacija samih sustava u modernim komunikacijskim mreţama postaje sve pristupaĉnija. Postoji više mogućih podruĉja primjene beţiĉnih optiĉkih komunikacijskih tehnologija a svako podruĉje primjene uvjetuje neke tehnološke posebnosti. Stoga se digitalne optiĉke komunikacije dijele na nekoliko kategorija.
S obzirom na razliĉite komunikacijske tehnologije, digitalne komunikacije putem vidljive svjetlosti mogu se podijeliti na dvije kategorije: 1. Satelitske komunikacije vidljivim svjetlom (satelitski FSO) 2. Zemaljske komunikacije vidljivim svjetlom (zemaljski FSO) Nadalje, satelitske komunikacije vidljivim svjetlom dijele se na:
110
1. MeĊu kontinentalna globalna komunikacijska mreţa 2. DS (Deep Space) komunikacija A zemaljske komunikacije vidljivim svjetlom dijele se na: 1. Zemaljski FSO (Free Space Optics) komunikacijski sustavi 2. OW (Optical Wireless) lokalni pristupni komunikacijski sustavi
Razliĉita podruĉje primjene uvjetuju samu tehnologiju odašiljanja i prijema, odnosno dolazni i odlazni smjer komunikacije. U nastavku će biti obraĊene specifiĉne potrebe i posebnosti
kod navedenih podruĉja primjene digitalnih beţiĉnih optiĉkih komunikacija.
7.1. Primjena satelitskih FSO komunikacijskih sustava Medij prijenosa FSO komunikaci jskog signala izrazito utjeĉe na performanse veze.
Atmosfersko prigušenje moţe znatno pogoršati ili u potpunosti prekinuti komunikacijsku vezu. Razlog tome je meĊudjelovanje atmosferskih sastavnica i moduliranog svjetlosnog signala. kod komunikacija putem svjetlovoda prigušenje medija prijenosa umanjuje se kvalitetnom izradom
optiĉkih vlakana, pošto upravo to prigušenje ograniĉava domet veze. Kod FSO komunikacija medij prijenosa je atmosfera, a smanjivanje utjecaja prigušenja na lokalni dio volumena staze p rostiranja signala nije moguć uzme li se u obzir trenutno stanje tehnologije. Stoga se atmosfersko prigušenje mora uzeti kao parametar po kojemu se FSO komunikacijski sustav modelira. Kod satelitskih FSO komunikacijskih sustava atmosferski utjecaji mogu se u potpunosti zanemariti pošto se najniţe satelitske orbite nalaze na visinama preko 300 km, dakle sasvim dovoljno iznad atmosfere da bi se
okruţenje rada satelita moglo smatrati potpunim vakuumom. To znaĉi da signal u takvom okruţenju nije podloţan atmosferskom prigušenju pa se stoga domet mnogostruko povećava.
111
7.1.1. MeĎu kontinentalna komunikacija Ĉinjenica da se u vakuumu svemira FSO signal prostire na desetke tisuća kilometara bez destruktivnog prigušenja ili drugih utjecaja, moţe se iskoristiti za postavljanje globalne satelitske FSO širokopojasne komunikacijske mreţe. Sateliti bi meĊusobno komunicirali putem FSO veze, ali bi pojedini ĉvorovi satelitske mreţe bili, takoĊer preko FSO veze spojeni na zemaljske bazne stanice. Veze sa zemaljskim stanicama djelom bi se prostirale kroz atmosferu, pa je stoga u tom
djelu komunikacijske mreţe potrebno osigurati dovoljnu snagu signala za nesmetanu komunikaciju (99.999% pristupaĉnosti). Satelitska meĊukontinentalna FSO komunikacijska mreţa sluţila bi kao potpora zemaljskoj komunikacijskoj mreţi putem optiĉkih vlakana. Slika 33 prikazuje koncept
meĊu kontinentalne FSO komunikacije korištenjem satelita.
Slika 33. Koncept satelitske meĊu kontinentalne FSO komunikacijske mreţe Izvor: (podloga) Views of the Earth; http://earth.imagico.de/; Christoph Hormann
112
7.1.2. DS komunikacija
Osim kao podrška postojećoj zemaljskoj komunikacijskoj mreţi putem optiĉkih vlakan a, satelitska FSO komunikacijska mreţa moţe posluţiti za buduće primjene komunikacija u duboki svemir (DS – Deep Space communication). Svemirske agencije razliĉitih zemalja (NASA, ESA,
JAXA, itd.) razmatraju mogućnosti uporabe FSO veze za uspostavljanje komunikacija sa razliĉitim svemirskim istraţivaĉkim misijama. To ukljuĉuje bespilotne svemirske sonde i satelite za istraţivanje objekata u sunĉevom sustavu, ali i moguće potencijalne ljudske misije na Mjesec ili Mars. DS FSO komunikacija omogućila bi široko pojasnu vezu sa terminalom vrlo velike udaljenosti (>1 AU). Kod bespilotnih istraţivaĉkih misija to bi omogućilo sakupljanje znatno veće koliĉine podataka, ali i veće mogućnosti upravljanja sondom sa zemaljske bazne stanice. U novije vrijeme sve više dobiva glasa zamisao o vraĉanju misija sa ljudskom posadom na zemljin prirodni satelit – Mjesec, ali se sve ozbiljnije razmatra zapravo i misija sa ljudskom
posadom na Mars. Ljudska misija na Mars će ipak vjerojatno morati priĉekati još koje desetljeće. Strogo govoreći, osnovni problem je sakupljanje financijskih sredstava. Sasvim je izvjesno dakle da
će do tih misija doći u dogledno vrijeme, a kako bi se one izvršile besprijekorno i sa dovoljnom razinom sigurnosti za posadu potrebno je omogućiti što kvalitetnij u komunikacijsku vezu. Idealna veza predstavljala bi uparivanje DS FSO širokopojasne veze i RF pomoćne veze.
7.2. Primjena zemaljskih FSO komunikacijskih sustava Satelitski FSO komunikacijski sustavi trenutno se nalaze u eksperimentalnoj fazi. Iako su postignuti
zanimljivi
rezultati
[76][77][78],
konkretan
razvoj
globalne
satelitske
FSO
komunikacijske mreţe još nije u planu. Za razliku od njih, zemaljski FSO komunikacijski terminali već su nekoliko godina komercijalno raspoloţivi. Njihova osnovna primjena trenutaĉne je ograniĉena na urbane sredine gdje se zbog poteškoća postavljanja infrastrukture optiĉkih vlakana, koriste kao rješenje za problem posljednjeg kilometra i FTTx. FTTx (Fiber To The x – x predstavlja varijantu završnog terminala: Home, Office, Building,
Desk, itd. ) predstavlja rješenje problema izravnog spajanja korisnika na širokopojasnu mreţu. Zbog ograniĉavajućeg utjecaja prigušenja atmosfere, domet zemaljskih FSO komunikacijskih sustava ograniĉen je na otprilike 1 km (ako se ţeli postići pristupaĉnost od 99.999%). Zbog velikog utjecaja 113
atmosferskih uvjeta na kvalitetu FSO veze neki komercijalno raspoloţivi terminali kombiniraju FSO sa rezervnom RF vezom koji preuzima komunikaciju u sluĉaju prekida FSO veze. FSO komunikacija mogla bi pronaći svoju primjenu i u pomorskom prometu. Naime, razmotre li se neka podruĉja terestriĉke navigacije uoĉljivo je da je moguće iskoristiti već postojeću infrastrukturu (svjetionici) kako bi se teretnim ili putniĉkim brodovima u tim plovnim putovima omogućio pristup širokopojasnoj vezi. Pošto je brod kao takav mobilna platforma, bilo bi potrebno omogućiti implementaciju mobilnih FSO sustava, za što bi se mogle iskoristiti ili nadograditi tehnologije koje se trenutaĉno razvijaju za satelitske FSO komunikacije (akt uatori za uspostavljanje i odrţavanje veze u uvjetima srednje mobilnosti). Konceptualni prikaz implementacije takvog komunikacijskog sustava za podruĉje terestriĉke navigacije uz jadransku obalu prikazan je na slici 34.
114
Slika 34. Konceptualni prikaz implementacije FSO komunikacija sa brodovima u podruĉju terestriĉke navigacije
115
7.3. Primjena OW komunikacijskih sustava
Osnovna razlika izmeĊu FSO i OW, kao što je to i već prethodno navedeno, je naĉin odašiljanja signala. Razlog razliĉite implementacije odašiljanja je u samoj ciljanoj primjeni OW komunikacijskih sustava. Kod FSO nastoji se postići što veći dom et, dok se kod OW nastoji povećati podruĉje pokrivenosti. Cilj OW komunikacijske tehnologije je povezivanje korisniĉkih ureĊaja izravno na širokopojasnu mreţu. OW dakle spada pod lokalne beţiĉne pristupne mreţe. Sama implementacija trebala bi nalikovati na beţiĉni LAN, stoga je jedna od glavnih smjernica razvoja upravo
omogućavanje većem broju korisnika pristup vezi putem jednog terminala. Trenutno najkvalitetniji pristup tome je korištenje CDMA i TDM metoda multipleksiranja komunikacijskog kanala. OW svoju primjenu nalazi u kućanstvima i javnim mjestima poput ĉekaonica ili
ugostiteljskih objekata. Zbog izdvojenosti od atmosferskih uvjeta, ne bi se trebalo oĉekivati poteškoće pri odrţavanju pristupaĉnosti na traţenoj razini od 99.999%. Unatoĉ izoliranosti o d atmosferskih uvjeta, unutar zatvorenih prostorija mogu postojati ĉimbenici koji bi utjecali na prigušenje signala. uglavnom je tu rijeĉ o dimu, pa bi stoga svakako bilo savjetovano da se prostorije sa OW komunikacijskim terminalima obiljeţe kao prostorije za nepušaće.
Slika 35. Konceptualni prikaz implementacije OW tehnologije za spajanje korisniĉkih ureĊaja na mreţu
116
Kako OW tehnologiju karakterizira povezivanje korisniĉkih ureĊaja (mobitel, tablet, laptop) na mreţu, poţeljno je da ova pristupna tehnologija nudi potpunu mobilnost. Konceptualni prikaz implementacije OW tehnologije za spajanje korisniĉkih ureĊaja na mreţu prikazan je na slici 35. Na slici 36., prikazan je osnovni odašiljaĉki element OW komunikacijskog sustava u lokalnim mreţama – poluvodiĉka LED dioda velike snage.
7.4. Prednosti i nedostaci korištenja komunikacija putem vidljivog svjet la Najosnovnija prednost korištenja tehnologije komunikacija vidljivim svjetlom je svakako rasterećivanje RF frekvencijskih pojaseva. RF frekvencijski spektar sve više je iskorišten, dok potraţnja i dalje raste. Upravo stoga komunikacija vidljivim svjetlo m predstavlja jako zanimljivu alternativu beţiĉnim RF komunikacijama. Osim toga, komunikacija vidljivim svjetlom teoretski omogućava brzine prijenosa nalik na one prisutne u komunikacijama putem optiĉkih vlakana, uz istovremenu mogućnost potpune mobilnosti korisnika. Općenito, prednosti beţiĉnih optiĉkih komunikacijskih sustava mogu se svesti na: 1. Brzinu prijenosa 2. Lakoća instalacije sustava 3. Modularnost 4. Propusnost podataka 5. Nepotreban zakup RF spektra
Od nedostataka najosnovniji je dakako podloţnost sustava na atmosferske uvjete. Od samog prigušenja uzrokovanog prostiranjem u idealnim uvjetima do meteoroloških prilika, pristupaĉnost veze ovisi o prilikama koje su u potpunosti zadane stohastiĉkim procesima. To ima najveći utjecaj na ukupan domet zemaljskih FSO sustava, ali kod satelitskih FSO i OW sustava ti uvjeti ne dolaze
toliko do izraţaja. Najveći nedostaci beţiĉnih optiĉkih komunikacija dakle mogu se svesti na: 1. Ovisnost o atmosferskim prilikama (samo zemaljski FSO) 2. Mali domet (zemaljski FSO) 3. Vibracije 4. Smanjena mobilnost (zemaljski FSO)
117
Još je samo vaţno napomenuti specifiĉnosti vezane uz komunikaciju putem beţiĉne optiĉke veze zemaljske stanice sa satelitom u orbiti. Naime, prostiranje signala kroz atmosferu je
neizbjeţno, te se u izravnoj komunikacijskoj vezi mora upotrijebiti svjetlosni signal velike snage, koji moţe biti potencijalno opasan utoliko što moţe nanijeti oštećenja vida ili opekline. Postoji meĊutim još jedan problem, a to je prekid signala uzrokovan oblacima. Oblaci zbog svoje strukture imaju izrazito atenuacijski uĉinak na komunikacijski signal. Potrebno je stoga pri odabiru lokacije
bazne stanice uzeti u obzir godišnji prosjek naoblaka za razmatranu lokaciju, kako bi se umanjilo vrijeme nepristupaĉnosti veze. TakoĊer, moguće je uparivanje baznih stanica na naĉin da se ako je jedna bazna stanica u prekidu veze promet prespoji na drugu baznu stanicu koja eventualno nije u prekidu zbog naoblake ili oborina.
Ako izuzmemo zemaljske FSO sustave, OW i satelitski FSO sustavi još su relativno daleko od konkretne komercijalne upotrebe. Ipak, postoje pokušaji standardizacije (JEITA CP – 1221, JEITA CP – 1222) kojima je cilj usmjeriti razvoj beţiĉnih optiĉkih komunikacija.
Slika 36. Primjer LED rasvjete velike snage (1W) Izvor: Futurlec; http://www.futurlec.com/Star_LED.shtml
118
8.
Zaključak Kroz ovaj rad obraĊene su razliĉite tehnologije ukljuĉene u beţiĉne optiĉke komunikacije.
Dio rada objavljen je u ĉasopisu Pomorstvo (Godina: 27, Broj: 1, str: 55-72) kao zasebni ĉlanak [79]. TakoĊer, stavljen je naglasak na uporabu beţiĉnih optiĉkih komunikacija u pomorstvu, što se tematski uvelike nadovezuje na seminarni rad kojeg je autor izlagao na MeĊunarodn om skupu za informacijsku i komunikacijsku tehnologiju, elektroniku i mikroelektroniku MIPRO 2010 [80]. U prvom djelu rada, obraĊene su potrebe modernih digitalnih komunikacijskih sustava i tendencija
korisniĉke potraţnje. U drugom djelu obraĊeni su osnovni koncepti komunikacija vidljivim svjetlom. Naglasak je postavljen na konceptualne razlike FSO (Free Space Optical) i OW (Optical Wireless) komunikacijskih sustava. Iako u osnovi predstavljaju jedno te isto (neki autori koriste i jedan i drugi
izraz za oba dvije tehnologije), mišljenje je autora da je svakako potrebno razlikovati jednu od druge tehnologije.
U trećem djelu obraĊene su tehnologije koje predstavljaju temelj implementacije komunikacija vidljivim svjetlom. Opisane tehnologije predstavljaju trenutaĉno najkvalitetnije
raspoloţive alternative (tehnologije koje pruţaju eksperimentalno dokazano najbolje rezultate), ali i tehnologije koje potencijalno mogu uvesti znatna poboljšanja iako je potrebna dodatna ana liza njihovog uĉinka. Kao što su u trećem djelu obraĊene tehnologije odašiljanja i prijenosa, tako su u ĉetvrtom djelu obraĊene tehnologije prijema signal. U detalje su obraĊeni prijemni ureĊaji i naĉin njihove primjene. U petom djelu analizirana je sama beţiĉna optiĉka veza. ObraĊeni su utjecaji na vezu od strane medija prijenosa za zemaljski i satelitski FSO, te za OW.
U šestom i završnom djelu obraĊena je primjena beţiĉnih optiĉkih komunikacija u modernim digitalnim komunikacijskim sustavima te osnovne prednosti i nedostaci upotrebe
beţiĉnih optiĉkih sustava Uzmu li se u obzir podaci navedeni u radu vezani za ovisnost komunikacija vidljivim
svjetlom o atmosferskim prilikama moguće je doći do nekoliko zakljuĉaka glede primjenjivosti ove 119
tehnologije u urbanoj sredini kao što je to npr. Rijeka. Primjenom FSO tehnologije beţiĉnih
optiĉkih komunikacija na urbani centar kao što je Rijeka, u osnovi bilo bi moguće rješavanje problema posljednjeg kilometra i FTTx (Fiber To The x, gdje x predstavlja završni terminal komunikacijske mreţe, npr. Home, Office, itd.). Uz to, Rijeka kao luĉki grad ima mogućnost pruţanja veze sa kopnom mobilnih platformi poput brodova koji uplovljavaju u luku. Ostvarivanjem širokopojasne veze sa brodom koji zapoĉinje manevar uplovljavanja bilo bi moguće unaprijediti sigurnosne postupke pri manevriranju. Rijeka nije podloţna znatnim prigušnim atmosferskim utjecajima (uz izuzetak kiše), pa bi se stoga bez previše poteškoća mogla ostvariti dostupnost komunikacijske veze od 99.999%. Komunikacija vidljivim svjetlom ima potencijal predstavljati slijedeći konceptualni korak u
beţiĉnim digitalnim komunikacijama, no na jednak naĉin na koji u prošlosti nije bilo moguće zamisliti potpunu sliku današnjih modernih digitalnih komunikacija, mišljenje je aut ora ovog rada da takoĊer nije moguće u potpunosti predvidjeti kako će digitalne komunikacije izgledati za 50 ili 60 godina. Do tada će se vrlo vjerojatno pojaviti toliko inovativne tehnologije digitalnih komunikacija da će tehnologija optiĉkih komunikacija (bilo putem optiĉkih vlakana, bilo beţiĉna) biti u potpunosti zastarjela i neadekvatna. Jedna od tih potencijalnih budućih tehnologija prijenosa je kvantna komunikacija (iskorištavanje kvantnih svojstava subatomskih ĉestica, poput kvantnog sprezanja (eng. quantum entanglement )). S obzirom na neupitan rast u potraţnji povezivanja,
sasvim je izvjesno da će biti potrebno nadmašiti trenutne mogućnosti digitalnih komunikacijskih sustava. Kako god da se tehnologija razvijala, sasvim je sigurno da će ono što oĉekuje buduće generacije biti neusporedivo sa današnjom tehnologijom.
120
Literatura [1]. The birth of the web; http://home.web.cern.ch/about/birth-web; 12. 02. 2013 [2]. NICT Achieved Highest Capacity of 109 Terabit Per Second Optical Fiber Transmission; Yoshinari Awaji, Naoya Wada; http://www2.nict.go.jp/pub/whatsnew/press/h22/110310/110310_e.html; 15.02.2013 [3]. UPORABA INFORMACIJSKIH I KOMUNIKACIJSKIH TEHNOLOGIJA (IKT) U
KUĆANSTVIMA I OD POJEDINACA U 2007., PRVI REZULTATI; DRŢAVNI ZAVOD ZA STATISTIKU REPUBLIKE HRVATSKE; http://www.dzs.hr/Hrv/publication/2008/21-11_1h2008.htm; 15. 02. 2013 [4]. UPORABA INFORMACIJSKIH I KOMUNIKACIJSKIH TEHNOLOGIJA (IKT) U
KUĆANSTVIMA I OD POJEDINACA U 2007., PRVI REZULTATI; DRŢAVNI ZAVOD ZA STATISTIKU REPUBLIKE HRVATSKE; http://www.dzs.hr/Hrv_Eng/publication/2012/02-03-02_01_2012.htm; 15. 02. 2013 [5]. Future Wireless Technology – 4G Network; Harshit Srivastava, Shubham Srivastava; 2012. [6]. Long Term Evolution Protocol Overview; Freescale Semiconductor Whitepaper; 2008. [7]. Long Term Evolution (LTE):A Technical Overview; Technical White Paper; Motorola Inc.; 2007. [8]. IEEE Standard for Air Interface for Broadband Wireless Access Systems; IEEE Std 802.162012; IEEE; 2012. [9]. Field Test Report WiMAX Frequency Sharing with FSS Earth Stations; Robert Ames, Adam Edwards, Kenneth Carrigan; 2008. [10].
Design of a Fine Steering Scheme for a LEO Satellite Free Space Optical Downlink;
Erin Hammons; 2010. [11].
NASA Beams Mona Lisa to Lunar Reconnaissance Orbiter at the Moon;
http://www.nasa.gov/mission_pages/LRO/news/mona-lisa.html; Elizabeth Zubritsky; 23. 2. 2013. 121
Nancy
Neal-Jones,
[12].
Manufacturing an engineering model of onboard optical component for a Japanese
satellite; NICT (National Institute of Information and Communications Technology) news; Hiroo Kunimori; 2012. [13].
Optical Communications in Space - Twenty Years of ESA Effort; H. P. Lutz;
http://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet91/b91lutz.htm; 23. 2. 2013 [14].
World's first space-based commercial laser communications network launched
today; http://www.laserlightcomms.com/newsroom.php#post1; 23. 2. 2013 [15].
RONJA - Reasonable Optical Near Joint Access; http://ronja.twibright.com/; 23. 2.
2012 [16].
Network
World
Research
Center:
FSO
(Free
Space
Optics);
http://www.networkworld.com/details/568.html; 23. 2. 2012 [17].
Optics.org:
Free-space
optics
market
reach
$58M
by
2018;
2013;
http://optics.org/news/4/1/3; 23. 2. 2013 [18].
Impact of Light Reflection on Indoor Wireless Optical CDMA Systems; Jiang Liu,
Zhenni Pan, Wasinee Noonpakdee, Shigeru Shimamoto; 2012 [19].
Paraskevopoulos A., Vuĉić J., Kott ke C., Fernândez L., Habel K., Langer K.D.,
Optical wireless network built on white-light LEDs reaches 800Mb/s; 2011 [20].
Gaussian beam optics;
http://www.rpgroup.caltech.edu/courses/aph162/2007/Protocols/Optics/e3872_GaussianBeam-Optics.pdf; 25. 2. 2013 [21].
A tale of two beams: Gaussian beams and Bessel beams; Robert L. Nowack; 2009
[22].
Bessel beams: diffraction in a new light; D. McGolin K. Dholakia; 2005
[23].
Introduction to radiometry; William L. Wolfe; 1998.
[24].
Photometry and Radiometry – Measuring Light;
[25].
Optical Modulation for High Bit Rate Transport Technologies; Ildefonso M. Polo;
2009 122
[26].
Advanced Modulation Formats and Multiplexing Techniques for Optical
Telecommunication Systems; Ghafour Amouzad Mahadiraji, Ahmad Fauzi Abas; 2012 [27].
Advanced Optical Modulation Formats in High-speed Lightvawe Systems; Sen
Zhang; 2004 [28].
Digital Transmitter: Introduction to Quadrature Phase-Shift Keying;
http://cnx.org/content/m10042/latest/; Douglas L. Jones, Swaroop Appadwedula, Matthew Berry, Mark Haun, Jake Janovetz, Michael Kramer, Dima Moussa, Daniel Sachs, Brian Wade; 26. 2. 2013 [29].
Is DP-QPSK the endgame for 100 Gbit/sec?;
http://www.lightwaveonline.com/articles/lwe/print/volume-5/issue-6/is-dpndashqpsk-theendgame-for-100-gbitssec-54844352.html; Meghan Fuller Hanna; 26. 2. 2013 [30].
Duobinary Modulation for Optical Systems; Hari Shankar; 2002
[31].
Dispersion-Tolerant Optical Transmission Using Duobinary Modulation;
http://www.vpiphotonics.com/App_ModFormat_NRZDB.php; 26. 2. 2013 [32].
Differential Pulse-Position Modulation for Power-Efficient Optical Communication;
Da-shan Shiu, Joseph M. Kahn; 1999 [33].
Time-division multiplexing;
http://www.princeton.edu/~achaney/tmve/wiki100k/docs/Time-division_multiplexing.html; 26. 2. 2013 [34].
All-optic scheme for automatic polarization division demultiplexing; X. Steve Yao,
L.-S. Yan, B. Zhang, A. E. Willner, Junfeng Jiang; 2007 [35].
Statistics and performance under combined impairments induced by polarization-
dependent-loss in polarization-division-multiplexing digital coherent transmission; Kunihiko Mori, Tomoyoshi Kataoka, Takayuki Kobayashi, Shingo Kawai; 2011 [36].
Space-Division Multiplexed Transmission over 4200-km 3-Core Microstructured
Fiber; R. Ryf, R.-J. Essiambre, A. H. Gnauck, S. Randel, M. A. Mestre, C. Schmidt, P. J. Winzer, R. Delbue, P. Pupalaikis, A. Sureka, T. Hayashi, T. Taru, T. Sasaki; 2012 [37].
WDM reference guide; Finisar Corporation; 2008 123
[38].
Optical orthogonal Codes: Design, Analysis, and Applications; Fan R. K. Chung,
Jawad A. Salehi, Victor K. Wei; 1989 [39].
Orthogonal-frequency-division multiplexing for dispersion compensation of long-
haul optical systems; Arthur James Lowery, James Armstrong; 2006 [40].
Novel Orthogonal Wavelength Division Multiplexing (OWDM) Scheme: Theory
and Experiment; Roberto Llorente, Ju Han Lee, Paulo J. Almeida, Morten Ibsen, David J. Richardson, Javier Marti, Francisco Ramos; 2004 [41].
Theory of Code Division Multiplexing; http://zone.ni.com/devzone/cda/ph/p/id/268;
27. 2. 2013 [42].
Optical Code Division Multiplexing (OCDM) nad Its Application to Photonic
Networks; Kenichi Kitayama, Hideyuki Sotobayashi, Naoya Wada; 1999 [43].
Free Space Optical Polarization De-multiplexing and Multiplexing by means of
Conical Refraction; Alex Turpin, Yurii Loiko, Todor K. Kalkandjiev, Jordi Mompart; 2013 [44].
Free-space orbital angular momentum division multiplexing with Bessel beams; A.
Gatto, M. Tacca, P. Martinelli, P. Boffini, M. Martinelli; 2011 [45].
Adding a Twist dimension to communication for 2.5 terabits per second now and
hundreds of times more later; http://nextbigfuture.com/2012/06/adding-twist-dimension-tocommunication.html; 27. 2. 2013 [46].
EE387 Notes #7, Handout #28 - Course ntotes Stanford university; John Gill; 2010
[47].
Reed-Solomon Codes; Bernard Sklar; 2002
[48].
LDPC Codes – a brief Tutorial; Bernhard M.J. Leiner; 2005
[49].
Generalized Low-Density Parity-Check Codes for Optical Communication Systems;
Ivan B. Djordjevic, Olgica Milenkovic, Bane Vasic; 2005 [50].
CSMA/CD: Ethernet’s Multiple Access Protocol;
http://www.cs.utexas.edu/users/vin/Classes/CS386M-Fall04/Readings/ethernet_552.pdf; 28. 2. 2013
124
[51].
The G.709 Optical Transport Network — An Overview; Roberto Gendron, Amato
Gidaro; 2008 [52].
A G.709 Optical Transport Network Tutorial; Guylain Barlow;2009
[53].
LED Basics: Technology Fundamentals for Novices; Michael Poplawski; 2010
[54].
Electronics - The basics of semiconductor physics; Marta Rencz, Gergely Nagy;
2012 [55].
Physics of Optoelectronic Devices Light Emitting Diodes; VISHAY-
TELEFUNKEN; 2000 [56].
Paraskevopoulos A., Vuĉić J., Kottke C., Fernândez L., Habel K., Langer K.D.,
Optical wireless network built on white-light LEDs reaches 800Mb/s; 2011 [57].
Operating Principles of VCSELs; Rainer Michalzik, Karl Joachim Ebeling; 2006
[58].
Optical Physics of Quantum Wells; David A. B. Miller; 1998
[59].
Suppression of Intensity Fluctuations in Free Space High-Speed Optical
Communication Based on Spectral Encoding of a Partially Coherent Beam; Gennady P. Berman, Alan R. Bishop, Boris M. Chernobrod, Dinh C. Nguyen, Vyacheslav N. Gorshkov; 2006 [60].
Propagation of Some Coherent and Partially Coherent Laser Beams; Yangjian Cai;
2006 [61].
Experimental and Theoretical Studies in Optical Coherence Theory; Thomas van
Dijk; 2011 [62].
Optical (through-the-air) communications;
http://www.modulatedlight.org/optical_comms/optical_index.html; 2. 3. 2013 [63].
Reliability Analysis of FSO Communication Links using Aberrated Divergent
Rectangular Partially Coherent Flat-Topped Beam; B. Ghafary, F. D. Kashani, E. Kazemian; 2013 [64].
Characteristics and Use of Photodiodes;
http://unicorn.ps.uci.edu/H2A/handouts/PDFs/photodiode.pdf; 4. 3. 2013 125
[65].
Principles of Semiconductor Devices, Chapter 4.7. Photodiodes; Bart Van
Zeghbroeck; 2011 [66].
PIN Photodetector Characteristics for Optical Fiber Communication;
http://www.fiberoptics4sale.com/wordpress/pin-photodetector-characteristics-for-opticalfiber-communication/; 3. 3. 2013 [67].
Design and properites of silicon avalanche photodiodes; I. Wegrzecka, M.
Wegrzecki, M. Grynglas, J. Bar, A. uszynski, R. Grodecki, P. Grabiec, S Krzeminski, T. Budzynski; 2004 [68].
Photodiode Characteristics and Applications; Felix Haro; 2002
[69].
Terrestrial Free-Space Optical Communications; z. Ghassemlooy, W. O. Popoola;
2012 [70].
The Physics of Free-Space Optics; Scott Bloom; 2002
[71].
Availability of Free Space Optics (FSO) and hybrid FSO/RF systems; Isaac I. Kim,
Eric Korevaar; 2001 [72].
Performance limitations of free-space optical communication satellite networks due
to vibrations — analog case; Shlomi Arnon, Norman S. Kopeika; 1997 [73].
Deep Space Optical Communications; Hamid Hemmati, Jet Propulsion Laboratory,
California Institute of Technology; 2005 [74].
Optical Wireless Communication: LOS/WLOS/DIF propagation model and QOFI
software; Olivier Bouchet, Mathieu Bertrand, Pascal Besnard; 2008 [75].
Multilevel Digital Pulse Interval Modulation Scheme for Optical Wireless
Communications; Z. Ghassemlooy, N. M. Aldibbiat; 2006 [76].
Lutz H.P., Optical Communications in Space - Twenty Years of ESA Effort;
http://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet91/b91lutz.htm; acessed: 4. 4. 2013 [77].
Gotthard Oppenhäuser; A World First: Data Transmission Between European
Satellites Using Laser Light;
126
http://www.esa.int/Our_Activities/Telecommunications_Integrated_Applications/A_world_f irst_Data_transmission_between_European_satellites_using_laser_light; acessed: 4. 4. 2013 [78].
Neal-Jones N., Zubritsky E., NASA Beams Mona Lisa to Lunar Reconnaissance
Orbiter
at
the
Moon;
http://www.nasa.gov/mission_pages/LRO/news/mona-lisa.html;
acessed: 4. 4. 2013. [79].
Beţiĉne optiĉke mreţe - Mobilne komunikacije uporabom vidljivog svjetla, I.
Jurdana, M. Štrlek, S. Kunić, Pomorstvo, UDK: 656.61, ISSN: 1332-0718 godina: 27, broj: 1, 2013. [80].
I. Jurdana, M. Štrlek, R. Ivĉe, Primjena beţiĉnih optiĉkih komunikacijskih mreţa u
pomorstvu, 33. MeĊunarodni skup za informacijsku i komunikacijsku tehnologiju, elektroniku i mikroelektroniku MIPRO 2010., Opatija, Hrvatska, 2010.
127
Popis kratica 3G - Treca generacija komunikacijskih sustava 3GPP - 3G Partnership Project 4G - Cetvrta generacija komunikacijskih sustava APAC - Asia-Pacific APD - Avalanche Photodiode ARQ - Automated Repeat Request ASK - Amplitude Shift Keying AU - Astronomical Unit BCH - Bose Ray-Chadguri BCJR - Bahl – Cocke – Jelinek – Raviv BER - Bit Error Ratio BPSK - Binary Phase Shift Keying BPSK - Binary Phase-Shift Keying CCD - Charge Coupled Device CCFL - Cold Cathode Fluorescent Lamp CDM - Code Division Multiplexing CERN - Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (European Organization for Nuclear Research) CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection CWDM - Coarse Wavelength Division Multiplexing DPIM - Digital Pulse Interval Modulation 128
DPPM - Differential Pulse Position Modulation DP-QPSK - Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying DPSK - Differential Phase Shift Keying DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying DS - Deep Space DSL - Digital Subscriber Line DWDM - Dense WAvelength Division Multipleksing DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing EEFL - External Electrode Fluorescent Lamp EEL - Edge Emitting Lasers ELP - Electroluminescent Panel EMEA - Europe, Middle East and Africa eNB - eNodeB ERAN - Evolved RAdio Access Network ESA - European Space Agency E-UTRA - Evolved Terrestrial Radio Access FDD - Frequency Domain Duplexing FEC - Forward Error Correction FFT - Fast Fourier Transform FSO - Free Space Optics FTTx - Fiber To The x GEO - Geostationary Orbit
129
GLDPC - Generalized Low Density Parity Check GSM - Gaussian Schell Model GSM - Global Sistem for Mobile Communication HCFL - Hot Cathode Fluorescent Lamp HEO - High Earth Orbit IM/DD – Intensity Modulation with Direct Detection ISDN – Integrated Service Digital Network ISI – Intersymbol Interference ITU - International Telecommunication Union JAXA - Japan Aerospace Exploration Agency JEITA - Japan Electronics and Information Technology Industries Association JPL - Jet Propulsion Laboratory LAN - Local Area Network LCD - Liquid Cristall Display LDPC - Low Density Parity Check LED - Light Emitting Diode LEO - Low Earth Orbit LOS - Line Of Sight LTE - Long Term Evolution MAC - Medium Access Control MBE - Molecular Beam Epitaxy MEO - Medium Earth Orbit
130
MLSD - Maximum-Likehood Sequence Detection MME - Mobility Management Entity MOCVD - Metal Organic Chemical Vapor Deposition MYI - Mach-Zehnder-ov Interferometar NASA - National Aeronautics and Space Administration NRZ - Non-Return to Zero OAM - Orbital Angular Momentum Multiplexing OB - Overheard Byte OCDM - Optical Code Division Multiplexing OCh - Optical Channel ODB - Optical Dual Binary ODU - Optical Dana Unit OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing OMS - Optical Multiplex Section OOK - On Off Keying OPU - Optical Channel Payload Unit OTN - Optical Transport Network OTS - Optical Transport Section OTU - Optical Transport Unit OW - Optical Wireless PDCP - Packet Data Control Protocol PDE - Position Detection Error
131
PDM - Polarisation Division Multiplexing PDNGW - Packet Data Network Gateway PPM - Pulse Position Modulation PSD - Position Sensing Detector QPSK - Quadrature Phase Shift Keying RF - Radio Frequency RGB - Red Green Blue RLC - Radio Link Control RS - Reed-Solomon RZ - Return to Zero SDM - Space Division Multiplexing SGW - Serving Gateway SILEX - Semi-conductor Inter-satellite Link EXperiment SLM - Spatial Light Modulator SNR - Signal to Noise RAtio TAPCB - Time Averaging of Partially Coherent Beam TCM - Trellis Coded Modulation TDD - Time Domain Duplexing TDM - Time Domain Multiplexing TGSM - Twisted Gaussian Schell Model UE - User Equipement UTP - Unshielded Twisted Pair
132
VCSEL - Vertical CAvity Surface Emitting Laser VLC - Visible Light Communication WDM - Wavelength Division Multiplexing WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access YAG - Itrj-Alminij-Granat
133
Popis slika Slika 1. Namjera uporabe Interneta u prvom tromjesecju 2012 ....................................................5
Slika 2. Topologije FSO komunikacijskih mreţa ............................ ............................................12 Slika 3. SILEX laserski terminal za medu satelitsku komunikaciju ...........................................13
Slika 4. Globalno trţište komercijalnim FSO komunikacijskim sustavima .... ........................... 16 Slika 5. Predvidanje rasta potraţnje LED rasvjete .. ................................................................... 17 Slika 6. Usporedba FSO i OW tehnologije prijenosa podataka putem vidljivog svjetla ........... 19 Slika 7. Profil i razdioba intenziteta Gausove zrake ................................................................... 23 Slika 8. Profil i projekcija Besselove zrake ................................................................................ 26 Slika 9. Graficki prikaz zracenja Lamberovog izvora ................................................................ 29 Slika 10. Prikaz dijagrama stanja OOK modulacije uz naznacenu razdiobu modulacijskih simbola ....................................................................................................................................... 31 Slika 11. NRZ OOK modulacija signala nosioca i prikaz dijagrama stanja sa tranzicijama modulacijskih simbola ................................................................................................................ 32 Slika 12. RZ OOK modulacija signala nosioca i prikaz dijagrama stanja sa tranzicijama modulacijskih simbola ................................................................................................................ 33 Slika 13. BPSK modulacija signala nosioca uz prikaz dijagrama stanja ................................... 34 Slika 14. BPSK modulacija signala nosioca uz prikaz dijagrama stanja ................................... 36 Slika 15. Simulirani dijagram oka za NRZ i ODB modulaciju za opticke putove duljine 120 i 240 km ........................................................................................................................................ 38 Slika 16. Blok shema TDM metode multipleksiranja ................................................................ 41 Slika 17. Blok dijagram WDM metode multipleksiranja ........................................................... 43 Slika 18. Graf relativnog intenziteta zracenja s obzirom na valnu duljinu za YAG:Ce bijele LED ..................................................................................................................................................... 56 134
Slika 19. Kromatski dijagram sa naznaĉenom pozicijom YAG:Ce LED izvora zraĉenja bijele svijetlosti ..................................................................................................................................... 57 Slika 20. Dijagram zraĉenja Lambertovog izvora (poluvodicka LED dioda) u polarnim koordinatama .............................................................................................................................. 58
Slika 21. Presjek tipiĉne strukture VCSEL poluvodiĉkog lasera sa oznaĉenim slojevima ..................................................................................................................................................... 61 Slika 22. Usporedba koherentne i nekoherentne svjetlosti ........................................................ 64 Slika 23. Presjek tipiĉne fotodiode ............................................................................................. 71 Slika 24. Ovisnost vremena prirasta (odziv) o parametrima tau1 i tau2 .................................... 74 Slika 25. Struktura PIN fotodiode .............................................................................................. 75 Slika 26. Odziv PIN fotodiode s obzirom na valnu duljinu upadnog zraĉenja za razliĉite materijale .................................................................................................................................... 80 Slika 27. Jakost elektriĉnog polja u strukturi APD .................................................................... 83
Slika 28. Kvadrantna fotodioda sa kucištem i razmještaj segmenata ....... .................................. 87 Slika 29. Tipiĉni elektroniĉki sklop za upravljanje kvadrantnom fotodiodom ......................... 89 Slika 30. Izgled fronte zraĉenja lasera nakon duljine propagacije 1000 m kroz atmosferu .................................................................................................................................................... 97 Slika 31. Gustoća atmosfere prikazana u omjeru sa gustoćom na razini mora u ovisnosti o visini ................................................................................................................................................... 102
Slika 32. Metode odašiljanja (dolazni smjer) OW optiĉ kog signala ........................................ 106 Slika 33. Koncept satelitske meĊu kontinentalne FSO k omunikacijske mreţe ... .................... 112 Slika 34. Konceptualni prikaz implementacije FSO komunikacija sa brodovima u podruĉ ju terestriĉke navigacije ................................................................................................................ 115 Slika 35. Konceptualni prikaz implementacije OW tehnologije za spajanje korisniĉkih ureĊaja
na mreţu ...... ............................................................................................................................ 116 135
